Πως δημιουργείται το στοιχείο του άνθρακα στο Σύμπαν

Posted on 11/05/2011

0


Οι παρατηρούμενες ποσότητες του άνθρακα-12 στο σύμπαν (πρόκειται για το τέταρτο σε αφθονία στοιχείο του σύμπαντος) δεν μπορούν να εξηγηθούν από την πυρηνοσύνθεση που πραγματοποιήθηκε στην διάρκεια των πρώτων λεπτών της Μεγάλης Έκρηξης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δεν υπάρχουν σταθεροί πυρήνες με μαζικούς αριθμούς Α=5 και Α=8. Οι αστροφυσικοί έχουν δείξει, όπως θα δούμε στη συνέχεια, ότι  οι παρατηρούμενες ποσότητες του άνθρακα-12 δημιουργήθηκαν (και δημιουργούνται ακόμη) στο εσωτερικό των άστρων.

Αρχικά δυο πυρήνες ηλίου σχηματίζουν έναν πυρήνα βηρυλλίου. Στη συνέχεια ο πυρήνας βηρυλλίου ενώνεται με έναν πυρήνα ηλίου και σχηματίζει άνθρακα. Ο Fred Hoyle υπέθεσε ότι στο δεύτερο βήμα της διαδικασίας υπάρχει συντονισμός

Αλλά ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή. Η πηγή ενέργειας που συντηρεί σήμερα την λαμπρότητα άστρων όπως ο Ήλιος είναι η πυρηνική σύντηξη. Σύντηξη είναι η διαδικασία κατά την οποία από ελαφρούς πυρήνες παράγονται βαρύτεροι και ταυτόχρονα απελευθερώνεται ενέργεια. Στο εσωτερικό άστρων όπως ο Ήλιος μας οι πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης παράγουν συνολικά έναν πυρήνα ηλίου-4 (σωμάτιο α) από τέσσερις πυρήνες υδρογόνου :

4 1H → 4Ηe

Τι συμβαίνει όταν ένα άστρο έχει καταναλώσει το καύσιμο υδρογόνο, μετατρέποντάς το σε ήλιο; Πως παρακάμπτεται το εμπόδιο – που εμφανίστηκε στην αρχέγονη πυρηνοσύνθεση – της μη σταθερότητας των ενδιάμεσων πυρήνων με μαζικούς αριθμούς Α=5 και Α=8;
Ενώ η ταυτόχρονη αλληλεπίδραση τριών σωματίων α (πυρήνες ηλίου-4) είναι δυνατή ενεργειακά, έτσι ώστε να σχηματιστεί ένας πυρήνας άνθρακα-12, η πιθανότητα πραγματοποίησης αυτής της απευθείας διαδικασίας είναι πολύ μικρή σε σχέση με τις παρατηρούμενες ποσότητες του άνθρακα-12…..

Λύση στο πρόβλημα πρότειναν αρχικά οι αστροφυσικοί Salpeter και Öpik, σύμφωνα με τους οποίους ο άνθρακας-12 σχηματίζεται διαμέσου μιας διαδικασίας δυο βημάτων. Στο πρώτο βήμα, δυο σωμάτια α (πυρήνες ηλίου-4) ενώνονται σχηματίζοντας τον πυρήνα βηρύλλιο-8 στην θεμελιώδη κατάστασή του

Η θεμελιώδης κατάσταση του βηρυλλίου-8 είναι ασταθής. Έχει χρόνο ζωής 10-16 δευτερόλεπτα και διασπάται πάλι σε δυο σωμάτια α. Ο Salpeter έδειξε ότι σχηματίζεται ένα μικρό, αλλά όχι αμελητέο κλάσμα πυρήνων βηρυλλίου-8, όταν οι αντιδράσεις σύνθεσης – διάσπασης έρθουν σε ισορροπία σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες και πυκνότητες. Για παράδειγμα ένα αέριο ηλίου με θερμοκρασία Τ=108Κ και πυκνότητα ρ=106 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό, περιέχει έναν πυρήνα βηρυλλίου-8 ανά 109πυρήνες ηλίου-4. Σύμφωνα λοιπόν με τον Salpeter είναι δυνατόν κατά διαστήματα ένας τρίτος πυρήνας ηλίου-4 να συντηχθεί με έναν πυρήνα βηρυλλίου-8 και να σχηματίσει άνθρακα-12

Ο αστερίσκος δείχνει ότι ο άνθρακας-12 που σχηματίζεται βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση. Επειδή η διαδικασία των δυο βημάτων που μετασχηματίζει τρία σωμάτια άλφα σε έναν πυρήνα άνθρακα-12, συνήθως αναφέρεται ως διαδικασία των τριών α

3α → 12C

Όμως ο Fred Hoyle – ένας από τους μεγαλύτερους αστροφυσικούς του εικοστού αιώνα – υποθέτοντας ότι η διαδικασία των τριών α είναι σωστή, έδειξε ότι ο ρυθμός της είναι απελπιστικά αργός στις θερμοκρασίες και πυκνότητες που χαρακτηρίζουν το εσωτερικό των άστρων, ώστε να δικαιολογηθεί η παρατηρούμενη ποσότητα του 12C στο Σύμπαν.
Για να υπερπηδήσει αυτή τη δυσκολία, ο Hoyle υπέθεσε ότι ο σχηματισμός του άνθρακα-12 γίνεται πολύ γρηγορότερα διαμέσου του δεύτερου βήματος 8Be(α,γ)12C εξαιτίας του φαινομένου του συντονισμού.
Όταν μια πυρηνική αντίδραση σε κάποια ενέργεια των αντιδρώντων λέμε ότι εμφανίζει συντονισμό, αυτό σημαίνει ότι η πιθανότητα να πραγματοποιηθεί η αντίδραση στην συγκεκριμένη ενέργεια είναι πολύ αυξημένη. Σ΄αυτή την αντίδραση  «συντονισμού» ο πυρήνας του άνθρακα σχηματίζεται σε μια συγκεκριμένη διεγερμένη κατάσταση. Την εποχή που ο Hoyle πρότεινε τον μηχανισμό αυτό μια τέτοια διεγερμένη κατάσταση του πυρήνα του άνθρακα δεν ήταν γνωστή πειραματικά.
Ο ευφυής αστροφυσικός, το 1954, υπολόγισε την ενέργεια (7.65 MeV) και την στροφορμή (Jπ =0+) που θα έπρεπε να έχει η διεγερμένη κατάσταση του άνθρακα, έτσι ώστε να πραγματοποιείται το φαινόμενο του συντονισμού, που επιταχύνει την διαδικασία των τριών άλφα. Τρία χρόνια αργότερα, μια πειραματική ομάδα στο Caltech απέδειξε ότι o Hoyle είχε δίκιο.
Αυτό αποτελεί ένα από τα εντυπωσιακότερα παραδείγματα της θεωρητικής πρόβλεψης ιδιοτήτων ενός πυρήνα – βασιζόμενης καθαρά σε αστροφυσικό υπόβαθρο – που στη συνέχεια επιβεβαιώθηκε πλήρως από τα πειράματα ….
Ο Hoyle έκανε το παρακάτω φιλοσοφικό σχόλιο για την επιτυχία του:

«Η ύπαρξη μιας διεγερμένης κατάστασης του άνθρακα-12 είναι αποτέλεσμα κάποιων μικρών συμπτώσεων της πυρηνικής φυσικής. Απ’ όσο ξέρουμε, ουδείς θεμελιώδης νόμος της φύσης απαιτεί την ύπαρξη μιας τέτοιας διεγερμένης κατάστασης με ακριβώς τις σωστές ιδιότητες για να επιτρέψει στην τριπλή αντίδραση άλφα αν προχωρήσει σε λογικές αστρικές συνθήκες. Μήπως αυτό σημαίνει πως η δημιουργία του άνθρακα, που είναι η βάση της ζωής στη Γη, θα ήταν αδύνατη χωρίς αυτή την τυχαία σύμπτωση της πυρηνικής φυσικής;»

Η απάντηση σ’ αυτή την ερώτηση είναι αρνητική. Ανεξάρτητα από τις μικρές λεπτομέρειες της μικροσκοπικής πυρηνικής φυσικής, οι γενικές μακροσκοπικές συνθήκες μέσα σε άστρα αρκετά μεγάλης μάζας θα οδηγήσουν αναπόφευκτα σε συνθήκες ευνοϊκές για να παράγουν τη σύνθεση των χημικών στοιχείων ως το μέγιστο του σιδήρου. Η φράση-κλειδί σ’ αυτό το ζήτημα είναι οι «λογικές αστρικές συνθήκες». Στην πραγματικότητα, δεν έχουμε εκ των προτέρων καμιά ιδέα για το τι συνιστά τις «λογικές αστρικές συνθήκες». Διαθέτουμε απλώς παρατηρήσεις πραγματικών άστρων, οι οποίες παίρνουν αυτόματα υπόψη τις πολλές ιδιαιτερότητες της πυρηνικής φυσικής. Αν η πραγματική πυρηνική φυσική ήταν διαφορετική, τα άστρα θα ήταν επίσης διαφορετικά.

Αιτία για την σημερινή αναφορά στην εκπληκτική πρόβλεψη του Hoyle αποτέλεσε ένα πολύ πρόσφατο άρθρο που στοχεύει, για πρώτη φορά, στον ab initio προσδιορισμό της διεγερμένης κατάστασης του Hoyle. Ο Evgeny Epelbaum και οι συνεργάτες του  στο άρθρο που δημοσιεύεται στο περιοδικό Physical Review Letters,  προσδιορίζουν με επιτυχία από θεμελιώδεις αρχές τις ενέργειες των διεγερμένων καταστάσεων του άνθρακα-12, καθώς επίσης και της θεμελιώδους κατάστασής του.
Βιβλιογραφία:
1. «Cauldrons in the Cosmos», Claus E. Rolfs, William S. Rodney, 1988, The University of Chicago Press
2. «Αστροφυσική», Frank Shu, 1990, Πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης

(νεώτερη ενημέρωση 10-12-2012)
Η πιο πρόσφατη εργασία των Evgeny Epelbaum et al, σχετικά με την διεγερμένη κατάσταση Hoyle βρίσκεται  ΕΔΩ: «Structure and rotations of the Hoyle state«. Δημοσιεύεται στο Physical Review Letters.

Ετικέτα: