양성자-양성자 연쇄 반응
1. 개요
수소 원자와 수소 원자가 충돌하여 헬륨을 만드는 일련의 핵융합 과정을 의미한다. 좀더, 정확히는 원자가 아니라 원자핵끼리 충돌하는 것이다. [1]
우주를 구성하는 대부분의 원소는 수소이고, 이 수소가 모여서 항성이 된다. 항성이 스스로 빛을 내기 위한 가장 기본적인 과정이다.
2. 상세
2.1. 스텝 1
$$\begin{aligned} {^1}{\rm H} + {^1}{\rm H} &= 2{\rm p} + 2{\rm e}^- \\ &= {\rm p} + \overset{\sf 약력}{\overbrace{{\rm n} + W^{+}}} + 2{\rm e}^- \\ &= {^2}{\rm H} + \overset{\sf 쌍소멸}{\overbrace{\cancel{{\rm e}^- + {\rm e}^+}}} + \nu_{\rm{e}} + {\sf energy}_{W^+} \\ &= {^2}{\rm H} + 2\gamma + \nu_{\rm{e}} + {\sf energy}_{W^+} + {\sf energy}_{{\rm e}^{\pm}} \end{aligned}$$
두 개의 양성자(= 수소 원자핵)가 충돌하여 이 때 생성된 W+ 보손(약력#s-1.2)에 의해 중수소원자핵이 만들어지며, 양전자와 중성미자가 부산물로 튀어나온다(베타 붕괴). 그리고, 양전자는 다시 전자와 충돌하여 쌍소멸하고 또다시 에너지를 발산한다. 이 때 광자가 생성되어 감마선의 형태로 방출된다.주계열성에 들어가기 위한 최소한의 조건이다. 즉, 항성중에 가장 작은 적색왜성도 이 핵융합 반응을 스스로의 중력만으로 일으킬 수 있다는 의미이다.
2.2. 스텝 2 (중수소 융합)
$${^2}{\rm H} + {^1}{\rm H} = {^3}{\rm He} + \gamma + {\sf energy}$$
중수소 원자핵과 수소 원자핵이 충돌하여 헬륨 동위원소인 '헬륨-3' ($${^3}{\rm He}$$)가 만들어 진다.참고로 이 과정에서 필요한 온도는 스텝 1보다 더 낮은 온도에서 가능하다. 그래서 항성이 되기에는 크기가 작은 갈색왜성은 가지고 있는 극소량의 중수소를 이용해서 핵융합이 가능은 하다. 목성 질량의 13배 이상이 기준선이며 이보다 크면 갈색왜성, 이보다 작으면 준갈색왜성(또는 큰 행성)으로 분류한다.
2.3. p-p I 브랜치
$${^3}{\rm He} + {^3}{\rm He} = {^4}{\rm He} + 2{^1}{\rm H} + {\sf energy}$$
2개의 헬륨-3 가 충돌하여 헬륨-4 를 만들고, 2개의 양성자가 튀어나오는 과정이다.2.4. p-p II 브랜치
헬륨-3 와 헬륨-4가 충돌하여 베릴륨, 리튬을 거쳐 2개의 헬륨-4 가 되는 과정이다. 이를 '리튬 연소'과정이라고도 부른다.
이 또한 수소 핵융합 보다는 낮은 온도에서 가능하기에, 목성 질량의 65배 이상인 갈색왜성은 리튬을 이용한 핵융합이 발생한다.
2.5. p-p III 브랜치
헬륨-3 와 헬륨-4가 충돌하여 베릴륨, 붕소를 거쳐 2개의 헬륨-4 가 되는 과정이다.