УГЛЕРОДНЫЙ ЦИКЛ

Углеродный цикл - последовательность термоядерных реакций в звездах, приводящая к образованию гелия из водорода с участием углерода, азота, кислорода и фтора в качестве катализаторов. У.ц. - осн. источник энергии массивных звезд () на начальных стадиях их существования (см. Эволюция звезд). Вблизи центра таких звезд темп-ра достаточно высока для того, чтобы У.ц. был эффективнее водородного цикла. Реакции У.ц. образуют четыре переплетающихся цикла (I-IV), направления обхода к-рых на рис. указаны изогнутыми стрелками. В сокращенной записи (см. Ядерные реакции) эти циклы выглядят след. обр.: I. 12C(p,)13N(e+)13C(p,)14N(p,)15O(e+)15N(p,)12C II. 14N(p,)15O(e+)15N(p,)16O(p,)17F(e+)17O(p,)14N III. 15N(p,)16O(p,)17F(e+)17O(p,)18F(e+)18O(p,)15N IV. 16O(p,)17F(e+)17O(p,)18F(e+)18O(p,)19F(p,)16O Скорость превращения водорода в гелий и пропорциональная ей мощность выделения энергии определяются в основном циклом I: ядро 12C захватывает протон (p) и после испускания -фотона переходит в неустойчивое ядро 13N, распадающееся с испусканием позитрона (e+) и нейтрино () и образованием ядра 13C; затем после двух последовательных радиац. захватов протонов и распада неустойчивого ядра 15O образуется ядро 15N. Это ядро примечательно тем, что для него реакция (p,) (захват протона с выбросом -частицы) протекает с выделением энергии, т.е. явл. беспороговой и поэтому эффективной при характерных для звездного вещества низких энергиях частиц (для аналогичных реакций с участием др. изотопов из цикла I потребовались бы протоны с энергиями неск. МэВ, к-рые отсутствуют в звездном веществе). Реакция 15N(p,)12C замыкает цикл I. В итоге четыре протона превращаются в -частицу - ядро 4He. К такому же результату приводят и циклы II-IV. Взаимодействие протона с ядром 15N иногда заканчивается образованием ядра 16O [примернона 1000 реакций (p,) приходится один радиац. захват протона], что приводит к двум дополнительным циклам, II и III. Эти циклы протекают прибл. в одинаковом темпе, т.к.. сравнимы скорости реакций 17O(p,)14N и 17O(p,)18F , от к-рых зависит их относительная частота. Цикл IV оказывается еще более редким вследствие того, что скорость реакции 18O(p,)19F по крайней мере на три порядка меньше скорости реакции 18O(p,)15N. В установившемся У.ц. на каждую реализацию цикла IV приходится более 1000 циклов II и III и более 106 циклов I. Хотя циклы II-IV играют второстепенную роль в скорости выделения энергии, они определяют концентрации изотопов 17O и 18O, к-рые на более поздних стадиях эволюции звезды могут вступать в термоядерные реакции с выделением нейтронов, имеющих существенное значение для теории нуклеосинтеза. Цикл IV может быть важен для объяснения происхождения 19F. В У.ц. участвуют все стабильные изотопы C, N, O и F, а также неск. нестабильных изотопов этих элементов (на схеме они отмечены штриховкой). Поэтому в совр. астрофизич. литературе У.ц. часто наз. CNO-циклом (изотопы F имеют очень малые концентрации, и их вклад в общее число изотопов У.ц. мал). Через нек-рое время после начала эволюции массивной звезды У.ц. приходит в равновесное состояние когда концентрации всех указанных на схеме изотопов принимают практически не зависящие от времени значения. При этом полное число всех изотопов C, N, O и F остается равным их начальному числу. Каково бы ни было начальное распределение изотопов этих элементов, У.ц. вывырабатывает вполне определенные (зависящие от темп-ры в недрах звезды) концентрации изотопов. Т.о., изотопы C, N, O и F не явл. в с трогом смысле катализаторами - их отношения, вообще говоря, изменяются в процессе установления У.ц., не изменяется лишь их полное число [утечкой этих изотопов через реакцию 19F(p,)20Ne обычно можно пренебречь]. В таблице приведены параметры реакций осн. цикла I: Q - полное энерговыделение в реакции, - характерное время протекания реакций (время, за к-рое концентрация вступающего в реакцию изотопа C, N или O уменьшилась бы в e раз, если этот изотоп не восполнялся бы за счет др. реакций), средняя и максимальная энергии испускаемых нейтрино. В последнем столбце приведены также равновесные концентрации изотопов У.ц., рассчитанные с учетом всех четырех циклов I-IV. Значения и концентраций вычислены для темп-ры К, плотности 10 г/см3 и концентрации водорода по массе X=0,5, что соответствует физ. условиям в центре типичной звезды спектрального класса B (с массой 10 ) на главной последовательности. Концентрации обозначены символами самих изотопов, заключенными в квадратные скобки, и определены как отношения числа частиц данного изотопа к полному числу частиц элементов C, N, O, F в ед. объема. Наиболее медленной в цикле I оказывается реакция 14N(p,)15O, поэтому именно она определяет скорость переработки водорода в гелий и интенсивности энерговыделения в У.ц. В последней строкетаблицы приведен итог У.ц. : каждый из циклов I-IV приводит к объединению четырех протонов в ядро 4He, при этом выделяется энергия 26,73 МэВ (такая же, как и в водородном цикле), из к-рой ок. 1,7 МэВ (несколько больше, чем в водородном цикле) уносят нейтрино. Характерное время термоядерного сгорания водорода в центре звезды массой 10 составляет ок. 2 млн. лет, однако время пребывания этой звезды на главной последовательности примерно в 10 раз больше, что связано с существованием у звезды конвективного ядра, значительно превышающего по массе ту область вблизи центра звезды, где протекают термоядерные реакции. Звезда не уходит с главной последовательности до тех пор, пока не исчерпается весь водород в конвективном ядре. Для ядерной астрофизики наиболее важны такие последствия У.ц., как превращение почти всех (ок. 94%) исходных изотопов C, N, O и F в 14N, а также образование изотопов 13C и 17O - потенциальных источников нейтронов. Реакция Q, МэВ , лет , МэВ. Равновесная концентрация изотопов C, N, O, F 12C(p,)13N 1,94 360 [12C]=1,3, [13N]=10-9 13N(e+)13C 2,22 2,7 =0,71, =1,2 13C(p,)14N 7,55 100 [12C/13C]=3,5, [13C]=3,7 14N(p,)15O 7,29 2,5 [14N]=0,935, [15O]=2 15O(e+)15N 2,76 5,6 =1, =1,74 15N(p,)12C 4,97 0,93 [15N]=3,5 41H4He+2 26,73 2,2 =1,7, [16O]=2,9, [17O]=1,9, [17F]=9, [18F]=7, [18O]=10-5-10-8*, [19F]=10-6-10-9* * Разброс концентраций 18O и 19F связан с неопределенностью скорости реакции 18O(p,)15N Посредством У.ц. водород превращается в гелий не только в недрах массивных звезд, но и на поверхности звезд, где могут происходить вспышки термоядерного горения (см. Барстеры). В этих условиях У.ц. существенно изменяет свой вид. Связаные со вспышками высокие темп-ры ( К) приводят к тому, что участвующие в У.ц. радиоактивные ядра, не успев распасться, начинают реагировать с пртонами. В результате сеть реакций У.ц. значительно усложняется и меняется характер превращения изотопов C, N, O и F (напр., концентрация ядер 14N может быть уже не очень большой). Такой У.ц. наз. горячим. Вследствие быстрого изменения физ. условий в процессе звездных вспышек равновесные концентрации изотопов, вообще говоря, не успевают устанавливаться. Поэтому при исследованиях звездных вспышек приходится приводить трудоемкие расчеты, учитывающие кинетику ядерных превращений в сложной сети реакций горячего У.ц. (Д.К. Надежин)