عملية احتراق الأكسجين

عملية احتراق الأكسجين هي سلسلة من تفاعلات الاندماج النووي التي تحدث في النجوم الضخمة التي استنفدت العناصر الأخف في نواتها. تسبق عملية احتراق الأكسجين عملية احتراق النيون، وتليها عملية احتراق السيليكون . مع انتهاء عملية احتراق النيون، تنكمش نواة النجم وتسخن حتى تصل إلى درجة حرارة بدء احتراق الأكسجين. تشبه تفاعلات احتراق الأكسجين تفاعلات احتراق الكربون، إلا أنها تحدث عند درجات حرارة وكثافات أعلى نظرًا لحاجز كولوم الأكبر للأكسجين.

يشتعل الأكسجين في نطاق درجة حرارة يتراوح بين (1.5–2.6)×10⁹ ^كلفن  [ ^{1 ] وفي} نطاق كثافة يتراوح بين (2.6–6.7)× ^10¹²  كجم/م³ ^{[ 2 ] .} ترد التفاعلات الرئيسية أدناه ^{[ 3 ] [ 4 ]} ، حيث تفترض نسب التفرع أن قناة الديوتريوم مفتوحة (عند درجات الحرارة العالية): ^{[ 3 ]}

16 8 O	+	16 8 O	→	28 14 Si	+	4 2 هو	+	9.593 ميغا إلكترون فولت (34%)
			→	31 15 P	+	1 1 H	+	7.676 ميغا إلكترون فولت (56%)
			→	31 16 جنوباً	+	ن	+	1.459 ميغا إلكترون فولت (5%)
			→	30 14 Si	+	2 1 1 H	+	0.381 ميغا إلكترون فولت
			→	30 15 P	+	2 1 د	-	2.409 ميغا إلكترون فولت (5%)
أو بدلاً من ذلك: [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
			→	32 16 جنوباً	+	γ	+	16.539 ميغا إلكترون فولت
			→	24 12 ملغ	+	2 4 2 هو	-	0.393 ميغا إلكترون فولت

_{عند درجة حرارة} تقارب 2×10⁹ ^كلفن  ، يبلغ معدل تفاعل احتراق الأكسجين حوالي 2.8×10⁻¹² ⁽ T₉ / ₂ ) ^³³ ، ^{[ 3 ] [ 5 ]} حيث T₉ هي درجة الحرارة بمليارات الكلفن . وبشكل عام، فإن النواتج الرئيسية لعملية احتراق الأكسجين هي السيليكون ^-28 ، والكبريت ^-32، والكبريت-33، ^{والكلور-35} ، والكلور ^-37 ، والأرجون-36، والأرجون ^-38 ، والبوتاسيوم-39، والبوتاسيوم-41، والكالسيوم-40، والكالسيوم ^-42 . ويشكل السيليكون ^-28 والكبريت ^-32 معًا 90% من التركيب النهائي. ^{[ 3 ]} وينفد وقود الأكسجين داخل لب النجم بعد 0.01 إلى 5 سنوات، اعتمادًا على كتلة النجم وعوامل أخرى. ^{[ 1 ] [ 3 ]} وتنتج عملية احتراق السيليكون اللاحقة الحديد، لكن هذا الحديد لا يستطيع التفاعل أكثر لتوليد الطاقة اللازمة لدعم النجم.

أثناء عملية احتراق الأكسجين، باتجاه الخارج، تتكون طبقة احتراق الأكسجين، تليها طبقة النيون، ثم طبقة الكربون، ثم طبقة الهيليوم، وأخيراً طبقة الهيدروجين. وتُعدّ عملية احتراق الأكسجين آخر تفاعل نووي في لبّ النجم لا يمرّ بعملية ألفا .

على الرغم من أن الأكسجين ^-16 أخف من النيون، إلا أن احتراق النيون يسبق احتراق الأكسجين، لأن الأكسجين ^{-16 نواة} سحرية مزدوجة ، وبالتالي فهي شديدة الاستقرار. بالمقارنة مع الأكسجين، يُعد النيون أقل استقرارًا بكثير. ونتيجة لذلك، يحدث احتراق النيون عند درجات حرارة أقل من احتراق الأكسجين ^-16  + الأكسجين ^{-16 . [ 9 ]} أثناء احتراق النيون، يتراكم الأكسجين والمغنيسيوم في لب النجم. عند بدء احتراق الأكسجين، يكون الأكسجين في لب النجم وفيرًا بسبب عملية احتراق الهيليوم ( ^4He (2α,γ) ^12C (α,γ) ^16O )، وعملية احتراق الكربون ( ^12C ( ^12C ,α) ^20Ne , ^12C (α,γ) ^16O )، وعملية احتراق النيون ( ^20Ne (γ,α) ^16O ). يؤثر التفاعل ¹² C(α,γ) ^{16 O بشكل كبير على معدلات التفاعل أثناء احتراق الأكسجين، حيث ينتج كميات كبيرة من 16} O. ^{[ 3 ]} 

بالنسبة للنجوم التي تزيد كتلتها عن 10.3 كتلة شمسية، يشتعل الأكسجين في النواة أو لا يشتعل على الإطلاق. وبالمثل، بالنسبة للنجوم التي تقل كتلتها عن 9 كتل شمسية (بدون تراكم كتلة إضافية)، يشتعل الأكسجين في النواة أو لا يشتعل على الإطلاق. ومع ذلك، في نطاق الكتلة من 9 إلى 10.3 كتلة شمسية، يشتعل الأكسجين خارج مركز النجم.

بالنسبة للنجوم ضمن هذا النطاق الكتلي، يحدث احتراق النيون في غلاف حراري وليس في مركز النجم. في مثال نجم كتلته 9.5 كتلة شمسية، تحدث عملية احتراق النيون في غلاف يبعد حوالي 0.252 كتلة شمسية (حوالي 1560 كيلومترًا) عن المركز. منذ لحظة الاشتعال، تمتد منطقة الحمل الحراري للنيون إلى مسافة 1.1 كتلة شمسية، مع ذروة طاقة تبلغ حوالي 10 ^{^36}  واط. بعد شهر واحد فقط، تنخفض الطاقة إلى حوالي 10 ^{^35}  واط، وتبقى عند هذا المعدل لمدة 10 سنوات تقريبًا. بعد هذه المرحلة، ينضب النيون في الغلاف، مما يؤدي إلى زيادة الضغط الداخلي على النجم. هذا يرفع درجة حرارة الغلاف إلى 1.65  مليار كلفن. ينتج عن ذلك جبهة لهب محصورة حراريًا تحترق بالنيون، وتتحرك نحو المركز. حركة اللهب هي ما يؤدي في النهاية إلى احتراق الأكسجين. في غضون ثلاث  سنوات تقريبًا، تصل درجة حرارة اللهب إلى حوالي 1.83  مليار كلفن، مما يسمح ببدء عملية احتراق الأكسجين. يحدث هذا  قبل حوالي 9.5 سنوات من تكوّن النواة الحديدية. وكما هو الحال في بداية احتراق النيون، يبدأ احتراق الأكسجين غير المركزي بوميض آخر. ثم ينتج اللهب المحترق بالحمل الحراري عن احتراق كل من النيون والأكسجين أثناء تقدمه نحو النواة، بينما يتقلص غلاف احتراق الأكسجين باستمرار. ^{[ 8 ]}

خلال عملية احتراق الأكسجين، يصبح فقدان الطاقة الناتج عن انبعاث النيوترينو عاملاً مهماً. ونظراً لهذا الفقدان الكبير للطاقة، يجب أن يحترق الأكسجين عند درجات حرارة تتجاوز مليار كلفن للحفاظ على ضغط إشعاعي كافٍ لدعم النجم في مواجهة جاذبيته. علاوة على ذلك، يصبح تفاعلا التقاط الإلكترون (اللذان ينتجان النيوترينوات) مهمين عندما تكون كثافة المادة عالية بما يكفي (ρ > 2×10⁷ ^جم /سم³ ⁾ . وبسبب هذه العوامل، يكون النطاق الزمني لاحتراق الأكسجين أقصر بكثير بالنسبة للنجوم الثقيلة والكثيفة. ^{[ 7 ]}   

يمكن أن تحدث عملية احتراق الأكسجين في ظروف الضغط الهيدروستاتيكي وفي ظروف الانفجار. وتتشابه نواتج احتراق الأكسجين الانفجاري مع تلك الناتجة عن احتراق الأكسجين في ظروف الضغط الهيدروستاتيكي. ومع ذلك، يترافق احتراق الأكسجين المستقر مع عدد كبير من عمليات التقاط الإلكترونات، بينما يترافق احتراق الأكسجين الانفجاري مع وجود أكبر بكثير لتفاعلات التفكك الضوئي . في نطاق درجة الحرارة (3-4)×10⁹ ^كلفن ، يحدث التفكك الضوئي واندماج الأكسجين بمعدلات تفاعل متقاربة. ^{[ 3 ]}

قد تصبح نجوم الجيل الثالث الضخمة جدًا (140-260 كتلة شمسية) غير مستقرة أثناء احتراق الأكسجين في نواتها نتيجةً لإنتاج أزواج ذرية . وينتج عن ذلك انفجار نووي حراري يُدمر النجم تمامًا. ^{[ 2 ] [ 6 ]}

• اندماج الكربون والأكسجين / مجلة مراقب الفيزياء الفلكية، 2005
• أرنيت، دبليو دي. التطور المتقدم للنجوم الضخمة. السادس - احتراق الأكسجين / المجلة الفيزيائية الفلكية، المجلد 194، 1 ديسمبر 1974، الجزء 1، ص  373-383.