Von Helium zu Kohlenstoff: Der Drei-Alpha-Prozess

In den späten Phasen seiner Entwicklung kann ein Stern eine weitere Energiequelle erschließen: Die Fusion von Helium zu Kohlenstoff.

Der Kugelsternhaufen Messier 69 als Symbolbild. | Foto: ESA/Hubble
Der Kugelsternhaufen Messier 69 als Symbolbild. | Foto: ESA/Hubble

Hat ein Stern den Wasserstoff in seinem Inneren verbraucht und damit das Wasserstoffbrennen beendet, geht die Energiequelle, die den Stern stabilisiert, verloren: Es gibt keinen Strahlungsdruck mehr, der gegen das Eigengewicht der Sterns ankämpft und sein hydrostatisches Gleichgewicht wahrt. Folglich kontrahiert der Stern, er zieht sich aufgrund seines Gravitationspotenzials zusammen.

Durch die Kontraktion wird potenzielle Energie frei, die dazu führt, dass sich der Stern immer weiter aufheizt. Erreicht der Kern schließlich eine Temperatur von 100 Million Kelvin, wird der Drei-Alpha-Prozess oder 3α-Prozess in Gang gesetzt. Mit ihm wird Helium zu Kohlenstoff umgewandelt.

Ablauf des Drei-Alpha-Prozesses

Der Drei-Alpha-Prozess fusioniert drei Heliumkerne, die sogenannten Alpha-Teilchen, zu einem Kohlenstoffkern. Im ersten Schritt werden zunächst zwei dieser Heliumkerne zu einem Berylliumkern fusioniert und ein Gammaquant wird freigesetzt.

Beim Drei-Alpha-Prozess kollidieren zunächst zwei Heliumkerne
Zwei Helium-4-Kerne fusionieren zu Beryllium-8 und geben dabei Gammastrahlung ab.

Der erste Schritt wird mit folgender Reaktionsgleichung beschrieben: $$^4\mathrm{He} + ^4\mathrm{He} \rightarrow{} ^8\mathrm{Be} + \mathrm{\gamma} - 0,0918 MeV$$

Beim entstandenen Beryllium \(^8\mathrm{Be}\) handelt es sich um einen instabilen Kern, der nach 2,6 × 10-16 Sekunden wieder zu zwei Heliumkernen zefällt. Für den zweiten Schritt bedeutet das, dass er sich unmittelbar nach der Fusion der beiden Heliumkerne abspielen muss.

Im zweiten Schritt fusioniert der Berylliumkern mit einem dritten Heliumkern und wandelt sich zu Kohlenstoff um. Auch bei diesem Vorgang wird Gammastrahlung freigesetzt.

Beryllium reagiert mit Helium und wird zu Kohlenstoff
Beryllium-8 reagiert mit Helium-4 und bildet schließlich Kohlenstoff-12.

$$^8\mathrm{Be} + ^4\mathrm{He} \rightarrow{} ^{12}\mathrm{C} + \mathrm{\gamma} + 7,367 MeV$$

Maßgebend ist die Tatsache, dass sich der fusionierte Kohlenstoff-12-Kern im angeregten Zustand befindet. Er kann entweder in seinen Grundzustand gehen, oder aber viel wahrscheinlicher in seine Ausgangselemente, Beryllium und Helium, zerfallen.

Dass trotz der geringen Wahrscheinlichkeit eines Übergangs in den Grundzustand große Mengen an Kohlenstoff vorhanden sein können, ist auf die hohe Anzahl der Reaktionen zurückzuführen.

Der entstandene Kohlenstoff bildet den Ausgangskern für das Kohlenstoffbrennen, falls eine Temperatur von 6 × 108 erreicht wird.

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