عملية ألفا الثلاثية

عملية ألفا الثلاثية هي مجموعة من تفاعلات الاندماج النووي التي يتم من خلالها تحويل ثلاث نوى من الهيليوم-4 ( جسيمات ألفا ) إلى كربون . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

يتراكم الهيليوم في لب النجوم نتيجة لتفاعل سلسلة البروتون-البروتون ودورة الكربون-النيتروجين-الأكسجين .

ينتج عن تفاعلات الاندماج النووي لنواتين من الهيليوم-4 نظير البريليوم-8 ، وهو نظير غير مستقر للغاية، ويتحلل عائدًا إلى نوى أصغر بنصف عمر يبلغ8.19 × 10⁻¹⁷ ثانية  ، إلا إذا اندمج جسيم ألفا ثالث خلال هذه المدة مع نواة البريليوم-8 ^{[ 3 ]} لينتج حالة رنين مثارة للكربون-12 ، ^{[ 4 ]} تُسمى حالة هويل . يتحلل هذا ^الجسيم دائمًا تقريبًا إلى ثلاثة جسيمات ألفا، ولكنه يُطلق طاقة ويتحول إلى الشكل الأساسي المستقر للكربون-12 مرة واحدة كل 2421.3 مرة تقريبًا. ^{[ 5 ]} عندما ينفد الهيدروجين من النجم في نواته، يبدأ بالانكماش والارتفاع في درجة الحرارة. إذا ارتفعت درجة الحرارة المركزية إلى 10⁸ ^كلفن ، ^{[ 6 ]} أي ستة أضعاف حرارة نواة الشمس، يمكن لجسيمات ألفا أن تندمج بسرعة كافية لتجاوز حاجز البريليوم-8 وإنتاج كميات كبيرة من الكربون-12 المستقر.

4 2 He+ 4 2 He→ 8 4 Be	(−0.0921  ميغا إلكترون فولت [ 7 ] )
8 4 Be+ 4 2 He→ 12 6 C+ 2 γ	(+7.370  ميغا إلكترون فولت [ 7 ] )

تبلغ الطاقة الصافية المنبعثة من العملية 7.274 ميغا إلكترون فولت. ^{[ 7 ]}

كنتيجة جانبية لهذه العملية، تندمج بعض نوى الكربون مع الهيليوم الإضافي لإنتاج نظير مستقر للأكسجين والطاقة:

¹² ₆ C+ ⁴ ₂ He→ ¹⁶ ₈ O+γ (+7.161  ميغا إلكترون فولت ^{[ 7 ]} )

ينتج عن تفاعلات الاندماج النووي للهيليوم مع الهيدروجين الليثيوم-5 ، وهو أيضًا غير مستقر للغاية، ويتحلل عائدًا إلى نوى أصغر بنصف عمر يبلغ3.7 × 10 ⁻²²  ثانية .

يمكن أن يؤدي اندماج نوى الهيليوم مع نوى أخرى إلى تكوين عناصر أثقل في سلسلة من عمليات التخليق النووي النجمي تُعرف بعملية ألفا ، إلا أن هذه التفاعلات لا تكون ذات أهمية إلا عند درجات حرارة وضغوط أعلى مما هي عليه في النوى التي تخضع لعملية ألفا الثلاثية. ينتج عن ذلك حالة ينتج فيها التخليق النووي النجمي كميات كبيرة من الكربون والأكسجين، ولكن جزءًا صغيرًا فقط من هذه العناصر يتحول إلى نيون وعناصر أثقل. يُعد الأكسجين والكربون الناتجين الرئيسيين لاحتراق الهيليوم-4.

قد تبدأ المادة المتراكمة من نجم مرافق على سطح نجم نيوتروني عملية احتراق الهيليوم هذه في منطقة محلية. ويُقدّر أن موجة الاحتراق تنتقل بسرعة تتراوح بين 50 و500 كيلومتر في الثانية، قاطعةً السطح في غضون ثانية واحدة تقريبًا. وخلال هذه الثانية، يدور النجم النيوتروني بسرعة، مما يُحرك منطقة الاحتراق الأكثر سطوعًا للظهور والاختفاء. ويسمح هذا التغير في شدة الإضاءة بقياس تردد الدوران، الذي قد يصل أحيانًا إلى 300 هرتز.

تم قياس بعض النجوم النيوترونية بتغير في شدة الإشعاع عند تردد 600 هرتز. ويُعتقد أن أصل هذا التغير يعود إلى النجوم النيوترونية التي تدور بتردد 300 هرتز، ولكنها تحتوي على منطقتين احتراقيتين. ويُفترض أن المنطقة الاحتراقية الثانية تتشكل فورًا تقريبًا بعد الأولى، على الجانب المقابل تمامًا للنجم النيوتروني، نتيجة لتقارب موجات الجاذبية الناتجة عن الاشتعال النووي الحراري الأولي. ^{[ 8 ]}

تكون عملية ألفا الثلاثية غير فعالة عند الضغوط ودرجات الحرارة المبكرة في الانفجار العظيم . ومن نتائج ذلك عدم إنتاج كمية كبيرة من الكربون في الانفجار العظيم.

في الأحوال العادية، يكون احتمال حدوث عملية ألفا الثلاثية ضئيلاً للغاية. مع ذلك، يمتلك نظير البريليوم-8 في حالته الأرضية طاقة تعادل تقريبًا طاقة جسيمين ألفا. في الخطوة الثانية، يمتلك نظير البريليوم ^-8 مع الهيليوم ^{-4 طاقة تعادل تقريبًا طاقة} حالة مثارة للكربون ^-12 . يزيد هذا الرنين بشكل كبير من احتمال اندماج جسيم ألفا وارد مع البريليوم-8 لتكوين الكربون. تنبأ فريد هويل بوجود هذا الرنين قبل رصده، استنادًا إلى الضرورة الفيزيائية لوجوده، لكي يتكون الكربون في النجوم. دعم التنبؤ بهذا الرنين الطاقي واكتشافه فرضية هويل حول التخليق النووي النجمي ، والتي تفترض أن جميع العناصر الكيميائية قد تشكلت في الأصل من الهيدروجين، المادة البدائية الحقيقية. وقد استُشهد بالمبدأ الأنثروبي لتفسير حقيقة أن الرنينات النووية مُرتبة بدقة لخلق كميات كبيرة من الكربون والأكسجين في الكون. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

تعتمد خطوات تفاعل ألفا الثلاثية اعتمادًا كبيرًا على درجة حرارة وكثافة المادة النجمية. تتناسب الطاقة المنبعثة من التفاعل تقريبًا مع درجة الحرارة مرفوعة للأس 40، ومربع الكثافة. ^{[ 11 ]} في المقابل، ينتج تفاعل سلسلة البروتون-بروتون طاقة بمعدل يتناسب مع الأس 4 لدرجة الحرارة، ودورة CNO بمعدل يتناسب مع الأس 17 لدرجة الحرارة تقريبًا، وكلاهما يتناسب خطيًا مع الكثافة. لهذا الاعتماد القوي على درجة الحرارة آثارٌ على المرحلة المتأخرة من تطور النجوم، وهي مرحلة العملاق الأحمر .

بالنسبة للنجوم ذات الكتلة المنخفضة على فرع العملاق الأحمر ، لا يمنع تراكم الهيليوم في النواة من الانهيار إلا ضغط انحلال الإلكترونات . وتكون النواة المنحلة بأكملها عند نفس درجة الحرارة والضغط، لذا عندما تصبح كثافتها عالية بما يكفي، يبدأ الاندماج عبر عملية ألفا الثلاثية في جميع أنحاء النواة. ولا تستطيع النواة التمدد استجابةً لزيادة إنتاج الطاقة حتى يرتفع الضغط بما يكفي لإزالة الانحلال. ونتيجةً لذلك، ترتفع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى زيادة معدل التفاعل في حلقة تغذية راجعة إيجابية تتحول إلى تفاعل متسارع . وتستمر هذه العملية، المعروفة باسم وميض الهيليوم ، لبضع ثوانٍ، لكنها تحرق ما بين 60 و80% من الهيليوم في النواة. وخلال وميض النواة، يمكن أن يصل إنتاج طاقة النجم إلى ما يقارب 10 ^{^11} ضعف لمعان الشمس، وهو ما يُقارن بلمعان مجرة ​​كاملة ، [ ^{12 ] على} الرغم من عدم ملاحظة أي آثار فورية على السطح، حيث تُستهلك الطاقة بالكامل لرفع النواة من الحالة المنحلة إلى الحالة الغازية الطبيعية. بما أن النواة لم تعد متدهورة، فقد استعاد النجم توازنه الهيدروستاتيكي ، وبدأ يحرق الهيليوم في نواته والهيدروجين في طبقة كروية فوقها. دخل النجم مرحلة احتراق هيليوم مستقرة استمرت حوالي 10% من المدة التي قضاها على التسلسل الرئيسي (من المتوقع أن تستمر الشمس في حرق الهيليوم في نواتها لحوالي مليار سنة بعد وميض الهيليوم). ^{[ 13 ]}

في النجوم ذات الكتلة العالية، التي تتطور على طول فرع العملاق المقارب ، يتراكم الكربون والأكسجين في النواة مع احتراق الهيليوم، بينما ينتقل احتراق الهيدروجين إلى الطبقات الخارجية، مما ينتج عنه غلاف هيليوم وسيط. ومع ذلك، لا تتحرك حدود هذه الأغلفة للخارج بنفس المعدل بسبب اختلاف درجات الحرارة الحرجة وحساسية كل من الهيدروجين والهيليوم للحرارة. عندما لا تعود درجة الحرارة عند الحد الداخلي لغلاف الهيليوم مرتفعة بما يكفي لاستمرار احتراق الهيليوم، تنكمش النواة وترتفع درجة حرارتها، بينما يتمدد غلاف الهيدروجين (وبالتالي نصف قطر النجم) للخارج. يستمر انكماش النواة وتمدد الغلاف حتى تصبح النواة ساخنة بما يكفي لإعادة إشعال الهيليوم المحيط بها. تستمر هذه العملية بشكل دوري - بفترة تقارب 1000 عام - وتتميز النجوم التي تخضع لهذه العملية بتغير دوري في اللمعان. تفقد هذه النجوم أيضًا مواد من طبقاتها الخارجية في رياح نجمية مدفوعة بضغط الإشعاع ، والتي تتحول في النهاية إلى رياح عاتية عندما يدخل النجم مرحلة السديم الكوكبي . ^{[ 14 ]}

تعتمد عملية ألفا الثلاثية اعتمادًا كبيرًا على وجود رنين للكربون-12 والبريليوم -8 بطاقة أعلى قليلًا من طاقة الهيليوم-4 . وبناءً على الرنينات المعروفة، بدا بحلول عام 1952 أنه من المستحيل على النجوم العادية إنتاج الكربون بنفس كفاءة إنتاج أي عنصر أثقل. ^{[ 15 ]} وقد لاحظ الفيزيائي النووي ويليام ألفريد فاولر رنين البريليوم-8، وحسب إدوين سالبيتر معدل تفاعل التخليق النووي ^{للبريليوم-8} والكربون ^-12 والأكسجين ^-16 مع الأخذ في الاعتبار هذا الرنين. ^{[ 16 ] [ 17 ]} ومع ذلك، حسب سالبيتر أن العمالقة الحمراء تحرق الهيليوم عند درجات حرارة تبلغ 2 × 10⁸ ^كلفن أو أعلى، بينما افترضت دراسات حديثة أخرى درجات حرارة منخفضة تصل إلى 1.1 × 10⁸ ^كلفن  لنواة عملاق أحمر.

أشار سالبيتر في بحثه عرضًا إلى تأثيرات الرنين غير المعروف في الكربون-12 على حساباته، لكنه لم يتابعها. في المقابل، استخدم عالم الفيزياء الفلكية فريد هويل ، عام 1953، وفرة الكربون-12 في الكون كدليل على وجود رنين خاص به. ووجد هويل أن الطريقة الوحيدة التي تُنتج وفرة من كلٍّ من الكربون والأكسجين هي من خلال عملية ألفا الثلاثية مع رنين للكربون-12 بالقرب من 7.68  ميغا إلكترون فولت، وهو ما من شأنه أيضًا أن يُزيل التناقض في حسابات سالبيتر. ^{[ 15 ]}

ذهب هويل إلى مختبر فاولر في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) وأكد وجود رنين عند 7.68  ميغا إلكترون فولت في نواة الكربون-12. (كانت هناك تقارير سابقة عن حالة إثارة عند حوالي 7.5  ميغا إلكترون فولت. ^{[ 15 ]} ). كانت جرأة فريد هويل في هذا الأمر لافتة للنظر، وفي البداية، كان الفيزيائيون النوويون في المختبر متشككين. لاحقًا، احتاج الفيزيائي الشاب وارد ويلينغ، حديث التخرج من جامعة رايس ، إلى مشروع بحثي، فقرر البحث عن هذا الرنين. سمح فاولر لويلينغ باستخدام مولد فان دي غراف قديم غير مستخدم. عاد هويل إلى كامبريدج عندما اكتشف مختبر فاولر رنينًا للكربون-12 بالقرب من 7.65  ميغا إلكترون فولت بعد بضعة أشهر، مما أكد صحة توقعه. وضع الفيزيائيون النوويون اسم هويل كمؤلف أول في ورقة بحثية قدمها ويلينغ في الاجتماع الصيفي للجمعية الفيزيائية الأمريكية . أعقب ذلك تعاون طويل ومثمر بين هويل وفاولر، حتى أن فاولر جاء إلى كامبريدج. ^{[ 18 ]}

يوجد ناتج التفاعل النهائي في حالة 0+ (لف مغزلي 0 وتكافؤ موجب). وبما أنه كان من المتوقع أن تكون حالة هويل إما 0+ أو 2+، فقد كان من المتوقع رصد أزواج إلكترون-بوزيترون أو أشعة غاما . ومع ذلك، عند إجراء التجارب، لم تُلاحظ قناة تفاعل انبعاث أشعة غاما ، مما يعني أن الحالة يجب أن تكون 0+. هذه الحالة تكبح تمامًا انبعاث أشعة غاما المفردة، لأن انبعاث أشعة غاما المفردة يجب أن يحمل معه وحدة واحدة على الأقل من الزخم الزاوي . إنتاج الأزواج من حالة 0+ مثارة ممكن لأن لفاتها المغزلية المُجمعة (0) يمكن أن تقترن بتفاعل يكون فيه التغير في الزخم الزاوي صفرًا. ^{[ 19 ]}

يُعدّ الكربون عنصرًا أساسيًا لجميع أشكال الحياة المعروفة. ويُنتج نظير الكربون المستقر 12C بكثرة في النجوم نتيجة لثلاثة عوامل ^:

1. يبلغ عمر اضمحلال نواة ^8Be أربعة أضعاف عمر اضمحلال نواتين من ^4He (جسيمات ألفا). ^{[ 20 ]}
2. توجد حالة إثارة لنواة الكربون ^-12 عند مستوى طاقة أعلى بقليل (0.3193  ميغا إلكترون فولت) من مستوى طاقة كل من ^{البريليوم-8} والهيليوم ^-4 . وهذا ضروري لأن الحالة الأرضية للكربون ^-12 تقع عند مستوى طاقة أقل بمقدار 7.3367  ميغا إلكترون فولت من مستوى طاقة كل من البريليوم ^-8 والهيليوم ^-4 ؛ إذ لا يمكن لنواة البريليوم ^{-8 ونواة الهيليوم -4 أن تندمجا مباشرةً لتكوين نواة الكربون -12} في حالتها الأرضية . مع ذلك، تستخدم نواة البريليوم ^-8 والهيليوم ^-4 الطاقة الحركية الناتجة عن تصادمهما للاندماج وتكوين الكربون ^-12 المُثار (حيث توفر الطاقة الحركية 0.3193 ميغا إلكترون فولت الإضافية  اللازمة للوصول إلى حالة الإثارة)، والذي يمكنه بعد ذلك الانتقال إلى حالته الأرضية المستقرة. بحسب إحدى الحسابات، يجب أن يتراوح مستوى طاقة هذه الحالة المثارة بين 7.3  و7.9  ميغا إلكترون فولت تقريبًا لإنتاج كمية كافية من الكربون لاستمرار الحياة، ويجب ضبطه بدقة أكبر ليتراوح بين 7.596  و7.716  ميغا إلكترون فولت لإنتاج الكمية الوفيرة من الكربون ^-12 الموجودة في الطبيعة. ^{[ 21 ]} وقد قُيس مستوى طاقة حالة هويل عند حوالي 7.65  ميغا إلكترون فولت فوق مستوى الطاقة الأساسي للكربون ^{-12 . [ 22 ]}
3. في التفاعل ^12C + ^4He → ^16O ، توجد حالة إثارة للأكسجين، لو كانت أعلى قليلاً، لأحدثت رنينًا وسرّعت التفاعل. في هذه الحالة، لن يكون هناك ما يكفي من الكربون في الطبيعة؛ إذ سيتحول معظمه إلى أكسجين. ^{[ 20 ]}

يرى بعض الباحثين أن رنين هويل عند طاقة 7.656 ميغا إلكترون فولت، على وجه الخصوص، من غير المرجح أن يكون نتاجًا للصدفة البحتة. فقد زعم فريد هويل في عام 1982 أن رنين هويل دليل على وجود "ذكاء خارق"؛ ^{[ 15 ]} إلا أن ليونارد ساسكيند يرفض في كتابه " المشهد الكوني " حجة هويل حول التصميم الذكي . ^{[ 23 ]} وبدلًا من ذلك، يعتقد بعض العلماء أن الأكوان المختلفة، وهي أجزاء من " كون متعدد " شاسع، لها ثوابت أساسية مختلفة: ^{[ 24 ]} ووفقًا لفرضية الضبط الدقيق المثيرة للجدل هذه ، لا يمكن للحياة أن تتطور إلا في أقلية من الأكوان حيث تكون الثوابت الأساسية مضبوطة بدقة لدعم وجود الحياة. ويرفض علماء آخرون فرضية الكون المتعدد لعدم وجود أدلة مستقلة. ^{[ 25 ]}