Термоядерные реакции в звездах

Термоядерные реакции являются фундаментальным источником энергии звезд, обеспечивая их свечение и поддерживая гидростатическое равновесие. Эти реакции происходят в условиях экстремально высоких температур и давлений, характерных для центров звезд, где кинетическая энергия частиц способна преодолевать кулоновский барьер.

---

Основные типы термоядерных реакций

1. Протон–протонный цикл (p–p цикл) Основной источник энергии в звездах малой и средней массы, таких как Солнце. Включает несколько стадий:

   • Слияние двух протонов с образованием дейтерия (²H), с выделением позитрона и нейтрино:

     p + p → ²H + e⁺ + ν_e

   • Слияние дейтерия с протоном с образованием гелия-3 (³He) и гамма-кванта:

     ²H + p → ³He + γ

   • Образование стабильного гелия-4 через слияние двух ядер ³He:

     ³He + ³He → ⁴He + 2p

   Энергия, выделяемая на каждом цикле, составляет около 26,7 МэВ.

2. CNO-цикл (углерод-азот-кислородный цикл) Преобладает в звездах более массивных, чем Солнце, где температура ядра превышает ~15 млн К. Цикл включает катализирующие реакции с участием ядер C, N, O:

   ¹²C + p → ¹³N + γ

   ¹³N → ¹³C + e⁺ + ν_e

   ¹³C + p → ¹⁴N + γ

   ¹⁴N + p → ¹⁵O + γ

   ¹⁵O → ¹⁵N + e⁺ + ν_e

   ¹⁵N + p → ¹²C + ⁴He

   Общая энергия, выделяемая на один цикл, составляет около 25 МэВ.

---

Условия термоядерного синтеза в звездах

• Температура: Для эффективного протекания p–p цикла достаточно 10–15 млн К, для CNO-цикла — выше 15 млн К.
• Плотность: В ядре Солнца плотность достигает примерно 150 г/см³, что обеспечивает высокую частоту столкновений частиц.
• Кулоновский барьер: Ядра сталкиваются и сливаются, преодолевая электростатическое отталкивание. Вероятность этого процесса описывается так называемым фактором туннелирования.

---

Выделение энергии и транспорт энергии

Энергия, высвобождаемая в термоядерных реакциях, передается через:

1. Фотонный транспорт (радиационная диффузия): фотоны многократно рассеиваются на частицах плазмы, постепенно перенося энергию к внешним слоям.
2. Конвекция: в зонах, где градиент температуры превышает градиент адекватной устойчивости, горячая плазма поднимается, а холодная опускается, обеспечивая перенос энергии.

---

Баланс массы и энергии

Энергия термоядерного синтеза напрямую связана с потерей массы согласно уравнению Эйнштейна E = mc². Масса исходных ядер всегда немного больше массы продуктов реакции, разница превращается в энергию. Например, при слиянии четырёх протонов в гелий-4 теряется около 0,7% массы исходных протонов, что соответствует выделению ~26,7 МэВ.

---

Роль нейтрино

Нейтрино, образующиеся в p–p цикле и CNO-цикле, практически не взаимодействуют с материей, унося значительную часть энергии из ядра звезды. Их наблюдение позволяет изучать процессы термоядерного синтеза и внутреннюю структуру звезд напрямую.

---

Эволюция звезд и термоядерные реакции

• На стадии главной последовательности преобладают p–p и CNO-циклы.

• При исчерпании водородного топлива в ядре начинается гелиевое сгорание:

  ⁴He + ⁴He → ⁸Be  (нестабильный)

  ⁸Be + ⁴He → ¹²C + γ

  Этот процесс известен как тройной альфа-цикл, он инициирует синтез более тяжёлых элементов, таких как кислород, неон и железо.

---

Синтез элементов до железа

• В более массивных звёздах при температурах порядка сотен миллионов К происходят реакции, формирующие элементы до железа включительно:

  • ¹²C+⁴He→¹⁶O + γ
  • ¹⁶O+⁴He→²⁰Ne + γ
  • Последующие альфа-процессы приводят к образованию Mg, Si, S, Ar и Fe.

Эти реакции определяют химическую эволюцию галактик, так как тяжелые элементы впоследствии выбрасываются в космос при суперновых взрывах.