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トリプルアルファプロセスは、3つのヘリウム4原子核（アルファ粒子）が炭素に変換される一連の核融合反応である。[ 1 ] [ 2 ]
ヘリウムは、陽子-陽子連鎖反応と炭素-窒素-酸素サイクルによって恒星の中心部に蓄積される。
2つのヘリウム4原子核の核融合反応により、非常に不安定なベリリウム8が生成され、半減期でより小さな原子核に崩壊します。8.19 × 10 −17 秒ですが、その時間内に 3 番目のアルファ粒子がベリリウム 8 原子核[ 3 ]と融合して炭素 12の励起共鳴状態[ 4 ]を生成しない限り、この状態は維持されます。これはほぼ常に 3 つのアルファ粒子に崩壊しますが、約 2421.3 回に 1 回、エネルギーを放出して炭素 12 の安定な基本形態に変化します。[ 5 ]星の中心で融合する水素がなくなると、収縮して温度が上昇し始めます。中心温度が 10 8 K [ 6 ]まで上昇すると、太陽の中心の 6 倍の温度になり、アルファ粒子はベリリウム 8 障壁を越えるのに十分な速さで融合し、安定な炭素 12 を大量に生成することができます。
この過程の正味のエネルギー放出は7.274 MeVである。[ 7 ]
この過程の副産物として、一部の炭素原子核が追加のヘリウムと融合し、酸素の安定同位体とエネルギーを生成する。
ヘリウムと水素の核融合反応によりリチウム5が生成されるが、これも非常に不安定で、半減期でより小さな原子核に崩壊する。3.7 × 10 −22 秒。
恒星核合成の連鎖反応であるアルファ過程において、追加のヘリウム原子核との融合によってより重い元素が生成されるが、これらの反応はトリプルアルファ過程が起こっている中心部よりも高温高圧の条件下でのみ顕著になる。このため、恒星核合成によって大量の炭素と酸素が生成されるものの、それらの元素のうちネオンやより重い元素に変換されるのはごく一部に過ぎないという状況が生じる。酸素と炭素は、ヘリウム4燃焼の主な「灰」である。
伴星から中性子星の表面に降着した物質は、局所的な領域でヘリウム燃焼プロセスを開始する可能性がある。燃焼波は秒速50～500kmで伝播し、表面を約1秒で横断すると推定されている。この1秒の間に、中性子星は急速に回転し、より明るい燃焼領域が視界に出たり入ったりする。この強度変化によって回転周波数を測定することができ、時には300Hzに達することもある。
中性子星の中には、600 Hz でこのような強度変調が観測されているものがある。その起源として考えられるのは、300 Hz で回転するが 2 つの燃焼領域を持つ中性子星である。2 番目の燃焼領域は、最初の熱核点火からの重力波の収束により、中性子星の反対側で最初の燃焼領域の直後に形成されると理論づけられている。[ 8 ]
トリプルアルファ反応は、ビッグバン初期の圧力と温度では効果を発揮しない。この結果、ビッグバンでは炭素はほとんど生成されなかった。
通常、三重アルファ過程の確率は極めて小さい。しかし、ベリリウム-8の基底状態は、2つのアルファ粒子とほぼ同じエネルギーを持っている。第2段階では、8Be + 4Heは、12Cの励起状態 とほぼ同じエネルギーを持っている。この共鳴により、入射アルファ粒子がベリリウム-8と結合して炭素を形成する確率が大幅に増加する。この共鳴の存在は、恒星で炭素が形成されるためには物理的に必要であるという理由から、フレッド・ホイルによって観測される前に予測されていた。このエネルギー共鳴と過程の予測と発見は、すべての化学元素がもともと真の原始物質である水素から形成されたとするホイルの恒星核合成仮説を支持した。核共鳴が宇宙で大量の炭素と酸素を生成するように敏感に配置されているという事実を説明するために、人間原理が引用されている。[ 9 ] [ 10 ]
トリプルアルファ段階は、恒星物質の温度と密度に強く依存します。反応によって放出されるエネルギーは、温度の40乗と密度の2乗にほぼ比例します。[ 11 ]対照的に、陽子-陽子連鎖反応は温度の4乗に比例する速度でエネルギーを生成し、CNOサイクルは約17乗に比例し、どちらも密度に線形的に比例します。この強い温度依存性は、恒星進化の後期段階、赤色巨星段階に影響を与えます。
赤色巨星分枝の低質量星では、中心核に蓄積されたヘリウムは、電子縮退圧によってのみそれ以上の崩壊を防がれています。縮退した中心核全体が同じ温度と圧力にあるため、密度が十分に高くなると、中心核全体でトリプルアルファ過程による核融合が始まります。圧力が縮退を解消するのに十分な高さになるまで、中心核はエネルギー生成の増加に応じて膨張することができません。その結果、温度が上昇し、正のフィードバックサイクルで反応速度が増加し、暴走反応となります。ヘリウムフラッシュとして知られるこのプロセスは数秒しか続きませんが、中心核のヘリウムの60～80%を燃焼させます。中心核フラッシュの間、星のエネルギー生成は、銀河全体の光度に匹敵する約10¹¹太陽光度に達する可能性があります[ 12 ]。ただし、中心核を縮退状態から通常のガス状態に持ち上げるためにすべてのエネルギーが消費されるため、表面ではすぐに効果は観測されません。中心核が縮退しなくなったため、静水圧平衡が再び確立され、恒星は中心核でヘリウムを、中心核の上にある球状の層で水素を「燃焼」し始めます。恒星は安定したヘリウム燃焼段階に入り、これは主系列星だった期間の約10%続きます（太陽はヘリウムフラッシュの後、中心核で約10億年間ヘリウムを燃焼し続けると予想されています）。[ 13 ]
漸近巨星分枝に沿って進化する大質量星では、ヘリウムが燃焼するにつれて炭素と酸素が中心部に蓄積され、水素燃焼はより外側の層へと移行し、中間層としてヘリウム殻が形成されます。しかし、水素燃焼とヘリウム燃焼の臨界温度と温度感度が異なるため、これらの殻の境界は同じ速度で外側へ移動するわけではありません。ヘリウム殻の内側境界の温度がヘリウム燃焼を維持するのに十分でなくなると、中心部は収縮して加熱され、水素殻（ひいては星の半径）は外側へ膨張します。中心部が周囲のヘリウムを再点火するのに十分な温度になるまで、中心部の収縮と殻の膨張が続きます。このプロセスは周期的に繰り返され、周期は約1000年です。このプロセスを経る星は、周期的に光度が変動します。これらの星はまた、放射圧によって駆動される恒星風によって外層から物質を失い、星が惑星状星雲段階に入ると、この恒星風は最終的に超恒星風となります。 [ 14 ]
トリプルアルファ過程は、炭素12とベリリウム8がヘリウム4よりもわずかに高いエネルギーの共鳴を持つことに大きく依存している。既知の共鳴に基づくと、1952年までに、通常の恒星が炭素とそれより重い元素を生成することは不可能に思われた。[ 15 ]原子核物理学者のウィリアム・アルフレッド・ファウラーはベリリウム8の共鳴に注目し、エドウィン・サルピーターはこの共鳴を考慮して8Be、12C、16Oの核合成の反応速度を計算した。 [ 16 ] [ 17 ]しかし、サルピーターは赤色巨星が2× 10⁸K以上の温度でヘリウムを燃焼すると計算したが、最近の他の研究では、赤色巨星の核の温度は1.1× 10⁸Kと低いと仮定されている。
サルピーターの論文では、炭素12の未知の共鳴が彼の計算に及ぼす影響について軽く触れていたが、著者はそれを追及しなかった。代わりに、1953年に宇宙における炭素12の存在量を炭素12共鳴の存在の証拠として用いたのは、天体物理学者のフレッド・ホイルであった。ホイルが炭素と酸素の両方を豊富に生成できる唯一の方法は、7.68 MeV付近の炭素12共鳴を伴う三重アルファ過程によるものであり 、これはサルピーターの計算の矛盾も解消する。[ 15 ]
ホイルはカリフォルニア工科大学のファウラーの研究室に行き、 炭素12原子核には7.68 MeVの共鳴が存在するはずだと主張した。（7.5 MeV付近に励起状態が存在するという報告はあった。[ 15 ] ）フレッド・ホイルのこの大胆さは驚くべきもので、当初、研究室の原子核物理学者たちは懐疑的だった。最終的に、ライス大学から来たばかりの若手物理学者、ウォード・ホエーリングが研究プロジェクトを必要としており、共鳴を探すことにした。ファウラーはホエーリングに、使われていない古いヴァンデグラフ起電機を使うことを許可した。数か月後、ファウラーの研究室が7.65 MeV付近の炭素12共鳴を発見し、ホイルの予測が検証されたとき、ホイルはケンブリッジに戻っていた。原子核物理学者たちは、アメリカ物理学会 の夏季会議でホエーリングが発表した論文の筆頭著者としてホイルの名前を挙げた。その後すぐにホイルとファウラーの間で長く実りある協力関係が築かれ、ファウラーはケンブリッジにまでやって来た。[ 18 ]
最終反応生成物は 0+ 状態 (スピン 0 および正のパリティ) にあります。ホイル状態は0+ または 2+ 状態であると予測されていたため、電子-陽電子対またはガンマ線が観測されると予想されていました。しかし、実験を行ったところ、ガンマ線放出反応チャネルは観測されず、この状態は 0+ 状態である必要があることを意味しました。この状態は、単一のガンマ線放出を完全に抑制します。単一のガンマ線放出は、少なくとも 1単位の角運動量を持ち去らなければならないためです。励起された 0+ 状態からの対生成は、それらの結合スピン (0) が角運動量の変化が 0 である反応と結合できるため可能です。[ 19 ]
炭素は、既知のすべての生命にとって不可欠な構成要素である。炭素の安定同位体である¹²Cは、次の3つの要因により恒星で豊富に生成される。
一部の学者は、特に 7.656 MeV のホイル共鳴は単なる偶然の産物である可能性は低いと主張している。フレッド・ホイルは1982 年に、ホイル共鳴は「超知性」の証拠であると主張した。[ 15 ]レナード・サスキンドは『宇宙の風景』でホイルの知的設計論を否定している。[ 23 ]その代わりに、一部の科学者は、広大な「マルチバース」の一部である異なる宇宙は、異なる基本定数を持っていると考えている。[ 24 ]この議論の多い微調整仮説によれば、生命は、基本定数がたまたま生命の存在を支えるように微調整されている少数の宇宙でのみ進化することができる。他の科学者は、独立した証拠がないことを理由にマルチバースの仮説を否定している。[ 25 ]