Tại sao quá trình nhiệt hạch của mặt trời tăng tốc?

Tôi có đúng không khi nói rằng quá trình nhiệt hạch của mặt trời là không đổi, tức là lượng X hợp nhất xảy ra mỗi ngày, nhiều hay ít? Tại sao điều này không tăng tốc, tức là một sự kiện hợp hạch tạo ra năng lượng cho hai sự kiện hợp hạch, v.v.? Có phải mọi sự va chạm của nguyên tử đều gây ra một sự kiện nhiệt hạch, hay là xác suất nhỏ cho một sự kiện nhiệt hạch xảy ra do đó nó không phải là một phản ứng chạy trốn? Tôi đã nghe nói rằng xác suất để sự kiện nhiệt hạch xảy ra chỉ là 1 trên 10 ¹² cho mỗi va chạm.

Tôi có đúng không khi nói rằng quá trình nhiệt hạch của mặt trời là không đổi, tức là lượng X hợp nhất xảy ra mỗi ngày, nhiều hay ít?

Vâng, ít nhất là qua thời gian của con người. Một cách hợp lý bạn có thể mong đợi tỷ lệ hợp nhất trong mặt trời sẽ giống như ngày hôm nay như một vài ngàn năm trước hoặc trong tương lai, đưa ra hoặc lấy một phần nhỏ.

Tại sao điều này không tăng tốc, tức là một sự kiện hợp hạch tạo ra năng lượng cho hai sự kiện hợp hạch, v.v.?

Năng lượng được giải phóng bởi phản ứng tổng hợp nhanh chóng được phân phối dưới dạng năng lượng nhiệt ở trung tâm mặt trời và chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt (khoảng 6000K) và trung tâm (ước tính 15 triệu K) dẫn đến một dòng năng lượng từ nóng đến lạnh.

Có phải mọi sự va chạm của nguyên tử đều gây ra một sự kiện nhiệt hạch, hay là xác suất nhỏ cho một sự kiện nhiệt hạch xảy ra do đó nó không phải là một phản ứng chạy trốn?

Sự kết hợp trong mặt trời không phải là một phản ứng hạt nhân chạy trốn (giống như một khối uranium quan trọng trong phản ứng phân hạch).

Trên lý thuyết có thể có các sự kiện nhiệt hạch chạy trốn, nhưng áp suất và nhiệt độ cho những điều này xảy ra không được tiếp cận trong lõi của mặt trời. Đối với các ngôi sao ổn định như mặt trời, các lực và dòng năng lượng ở trạng thái cân bằng - nếu lõi phát triển nóng hơn một chút, thì áp suất sẽ tăng lên và ngôi sao mở rộng một chút so với lực hấp dẫn để bù lại. Những điều thú vị xảy ra khi các ngôi sao rơi khỏi trạng thái cân bằng và đánh lửa nhiệt hạch có thể xảy ra trong một số tình huống .

Ngoài ra, điểm cân bằng này di chuyển trong suốt vòng đời của một ngôi sao khi hỗn hợp các yếu tố của nó thay đổi do phản ứng tổng hợp. Điều này có thể dự đoán được đối với nhiều ngôi sao và tạo thành cơ sở của các ngôi sao theo trình tự chính trong sơ đồ Hertzsprung-Russell

Tôi đã nghe nói rằng xác suất để sự kiện nhiệt hạch xảy ra chỉ là 1 trên 10 ^ 12 cho mỗi va chạm

Tôi không biết độ chính xác của điều đó, nhưng nó có vẻ hợp lý. Định nghĩa về "va chạm" trở nên hơi độc đoán trong một môi trường dày đặc như vậy. Nếu bạn chỉ bao gồm các cách tiếp cận đủ gần để làm cho lực hạt nhân mạnh chi phối sự tương tác, tỷ lệ này có thể cao hơn.

Một thực tế khác mà tôi thấy thú vị ở cùng khu vực là mật độ năng lượng từ phản ứng tổng hợp - tức là Watts trên một mét khối chất - trong mặt trời gần giống như được tìm thấy trong một đống phân ủ điển hình . Đó là một môi trường rất khác với bên trong thí nghiệm lò phản ứng nhiệt hạch hoặc bom nhiệt hạch, có mật độ năng lượng cao hơn nhiều.

Không, tốc độ hợp nhất của Mặt trời không hoàn toàn không đổi theo thời gian. Mặt trời đang dần trở nên sáng hơn và độ sáng được cung cấp hầu như chỉ bằng phản ứng tổng hợp trong lõi. Tuy nhiên, tốc độ tăng không lớn, đặt hàng 10% mỗi tỷ năm.

$^3$

$10^{10}$$3 \times 10^{-18}$$^{-1}$$v \simeq (3k_B T/m_p)^{1/2} = 600$$15\times 10^{6}$$n_p \sim 6 \times 10^{31}$$^{-3}$$\sigma \sim \pi (\hbar/mv)^2$$n_p \sigma v \sim 10^{12}$$^{-1}$

$3\times 10^{29}$

Nếu tốc độ nhiệt hạch của Mặt trời tăng nhanh thì điều gì sẽ xảy ra là Mặt trời sẽ giãn nở, lõi sẽ trở nên ít đậm đặc hơn và tốc độ nhiệt hạch sẽ giảm. Điều này về cơ bản hoạt động như một bộ điều nhiệt, giữ cho Mặt trời ở nhiệt độ chính xác để hỗ trợ trọng lượng của chính nó và cung cấp độ sáng nổi lên từ bề mặt của nó.

Hơn nữa, lời giải thích thông thường cho lý do tại sao hợp hạch không chạy đi là không đầy đủ. Câu chuyện đơn giản không thể là câu chuyện đầy đủ là nếu sự hợp nhất xảy ra quá nhanh, nhiệt sẽ tích tụ và tạo ra một áp lực. Sự quá áp đó gây ra sự giãn nở, và sự giãn nở không hoạt động làm giảm nhiệt độ và quay trở lại phản ứng tổng hợp cho đến khi nó phù hợp với tốc độ thoát bức xạ.

Lý do điều này chưa hoàn thành là do công việc mở rộng không tạo ra sự ổn định nếu nó chỉ xảy ra với áp suất bên ngoài cố định, lượng công việc đó luôn không đủ để ổn định nó (điều này dẫn đến "vỏ chớp" sau này trong vòng đời của một ngôi sao) . Điều duy nhất có khả năng ổn định phản ứng tổng hợp là công việc bổ sung chống lại trọng lực , vì bạn có thể dễ dàng nhìn thấy từ đó trọng lực được đưa vào trong bất kỳ phân tích như vậy. Vì vậy, điều quan trọng là một cuộc trốn chạy địa phương có kết quả ròng là nâng khí ra khỏi trung tâm năng lượng mặt trời, do đó thực hiện công việc hấp dẫn - một chi tiết quan trọng thường bị bỏ qua trong các giải thích. Thật vậy, sẽ công bằng hơn khi nói rằng phản ứng tổng hợp năng lượng mặt trời được ổn định bằng sự kết hợp giữa công việc mở rộng và nâng trọng lực.