天体物理学において、トリプル α 反応とは、3 つのα 粒子を炭素原子核に変換する一連の核融合反応を指します。
古い星は、陽子と陽子の連鎖の生成物としてヘリウムを核に蓄積します。このヘリウムが蓄積すると、他の水素(陽子) またはヘリウム (α 粒子) 原子核と融合して非常に不安定な核種を生成し、瞬時に小さな原子核に崩壊する傾向があります。水素が使い果たされると、水素からヘリウムへの核融合反応が遅くなり、その結果、星の中心部の放射圧が低下し、その結果、新しい静水圧平衡に達するために星が収縮します。つまり、星の中心部が圧縮され、加熱されます。約 100 MK までヘリウム核の融合を加速し、寿命が短いにもかかわらず、十分な濃度のベリリウム 8 を維持できるようにします。これにより、3 番目のヘリウム核の融合が可能になり、安定した炭素 12 が得られます。
- $$ {\mathrm{^4_2He+{}^4_2He+0,092\ MeV\to{}^8_4Be\ \Rightarrow[6,7\cdot10^{-17}\ s]{92\ keV}\ 2\ {}^4_2He}} $$
- $$ {\mathrm{^8_4Be+{}^4_2He\to{}^{12}_{\ 6}C+7,367\ MeV}} $$
3 つの α 粒子の融合をもたらすため、「トリプル α」と呼ばれるこの反応の正味のエネルギー バランスは 7.275 MeV です。ベリリウム 8 が不安定であるため、この反応の速度論は非常に遅いです。これが、宇宙の温度が炭素を形成するにはあまりにも早く低下したため、ビッグバンで炭素を形成できなかった理由です。
3 つのヘリウム原子核が先験的に小さな核融合する確率は、次の 2 つの連続する事実によって大幅に増加します。
- 炭素 12 は励起状態を持ち、そのエネルギーはヘリウム原子核とベリリウム8 原子核のエネルギーの和にほぼ等しい。
これらの共鳴は、アルファ粒子がベリリウム 8 原子核と結合して炭素原子を形成する確率を大幅に高めます。
炭素の存在が正確に正しい値を持つこれらのエネルギー準位に依存しているという事実は、人間原理の証拠としてフレッド・ホイルによって提唱され、非常に物議を醸しました。星の内部の炭素は、ヘリウム原子核の融合によるトリプルアルファ反応によって合成されるに違いないという理論は、1950 年代初頭に天体物理学者のエドウィン サルピーターによって生まれました。
このプロセスの副作用として、一部の炭素原子核が追加のヘリウム原子核と融合して、エネルギーを放出して酸素の安定同位体を生成することがあります。
- $$ {\mathrm{^{12}_{\ 6}C+{}^4_2He\to{}^{16}_{\ 8}O+7,161\ MeV}} $$
酸素もアルファ粒子と結合してネオン原子を形成する次のステップは、核スピンに関する規則のため、より困難です。このため、 星の元素合成では大量の炭素と酸素が生成されますが、これらの元素の一部のみがネオンやより重い元素に変換されるという結果になります。核融合は鉄までしかエネルギーを生成しません。より重い元素は、エネルギー吸収を伴う超新星爆発中に生成されます。