헬륨 핵융합
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1. 개요
헬륨 핵융합은 별 내부에서 수소 핵융합 이후에 일어나는 핵융합 과정이다. 헬륨 핵융합은 주로 두 단계로 진행되는데, 첫 번째 단계는 두 개의 헬륨 원자핵이 융합하여 불안정한 베릴륨-8을 생성하고, 두 번째 단계는 베릴륨-8이 붕괴하기 전에 세 번째 헬륨 원자핵과 융합하여 탄소-12를 생성하는 삼중 알파 반응이다. 삼중 알파 반응을 통해 생성된 탄소-12는 헬륨 원자와 융합하여 산소-16을 생성하기도 한다. 헬륨 핵융합 이후, 별은 헬륨을 중심 핵에서 연소하며, 헬륨 연소 후에는 탄소와 산소가 많은 상태가 된다. 태양 질량의 2배 미만의 별에서는 헬륨 융합 시작 시 헬륨 섬광이 일어날 수 있다.
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2. 헬륨 핵융합
별 내부에서 수소 핵융합이 끝나면 헬륨 핵융합이 시작된다. 헬륨 핵융합은 삼중 알파 반응과 알파 반응의 두 단계로 나뉜다.
2. 1. 베릴륨-8 합성
두 개의 헬륨-4(알파 입자) 핵이 융합하면 베릴륨-8이 생성되는데, 베릴륨-8은 매우 불안정하여 반감기가 1×10-16에서 2.6×10-16초 내에 두 개의 헬륨으로 되돌아간다.[1] 이 때문에, 주계열성에서는 이 반응이 헬륨에 극도로 편향된 평형 상태를 보인다.[1]2. 2. 삼중 알파 반응 (Triple-alpha process)
별이 적색 거성이나 적색 초거성의 종말기를 맞이하여, 중심핵의 온도가 (8.6 KeV)를 넘으면 상황이 바뀐다. 헬륨 간의 충돌 빈도가 높아져 평형이 베릴륨으로 기울어진다. 그 결과, 베릴륨-8이 붕괴되기 전에 세 번째 헬륨-4가 융합하여 탄소-12를 형성할 가능성이 상당히 높아진다. 식으로 나타내면 다음과 같다.:
이 헬륨 세 개의 융합을 삼중 알파 반응이라고 부른다.
2. 3. 알파 반응 (Alpha process)
삼중알파 반응으로 생성된 탄소-12에 헬륨 원자가 융합하면 산소-16이 형성되며, 더욱 고온에서는 헬륨이 산소와 융합하여 네온-20 등 무거운 원자가 발생한다.:
이러한 합성을 알파 반응이라고 부른다.
3. 헬륨 핵융합 이후
헬륨 핵융합으로 생성된 원소는 별의 중심부로 가라앉아 중심 핵을 형성하고, 헬륨은 그 바깥쪽에서 안정적으로 연소한다. 헬륨 연소는 약 106년에서 105년 동안 지속된다. 헬륨 연소 후의 별은 탄소와 산소가 많아진다.[1]
3. 1. 헬륨 섬광 (Helium flash)
태양 질량의 2배 정도까지의 별의 경우, 헬륨 융합 시작 시 페르미 축퇴로 인해 핵이 팽창하지 않아 핵융합 반응이 일시에 진행되어 일정량의 열을 생성하면 페르미 축퇴가 해제되고 안정적인 연소를 시작한다. 이러한 핵융합 반응의 폭주를 헬륨 섬광이라고 한다. 태양 질량의 2배보다 무거운 별의 경우 충분히 핵에 열이 있기 때문에 헬륨 섬광을 일으키지 않는다.[1]3. 2. 점근거성가지 (Asymptotic giant branch)
점근 거성 가지는 헬륨 융합이 일어나는 동안 별이 탄소-산소 핵, 헬륨 연소 껍질, 수소 연소 껍질의 구조를 가지게 되는 단계를 말한다. 이때 별은 헬륨 연소 동안 탄소나 산소 등의 원자를 중심 핵으로 가지고, 그 주변에서 헬륨을 연소시키며, 더 나아가 외부의 얇은 표층에서 수소 핵융합을 수행하는 구조가 된다. 외부의 수소는 받는 중력이 적기 때문에 핵융합이 줄어들고, 중력이 적은 별의 경우 내부로부터의 에너지로 확산된다.[1] 헬륨 연소는 약 106년에서 105년 동안 지속된다.[1]3. 3. 탄소 연소 이후
헬륨 연소는 약 100만 년에서 10만 년 동안 지속된다. 헬륨 연소 후의 별은 탄소와 산소가 많아지고, 충분한 질량이 있는 경우 내부 온도가 더욱 상승하여 탄소 연소 등의 과정을 시작한다.
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