CNOサイクル

CNOサイクルとは

CNOサイクル（CNO cycle）は、恒星内部で水素がヘリウムに変換される重要な核融合反応の一つです。この反応は、主に太陽よりも質量が大きい恒星でエネルギーを生み出す役割を果たしています。一方、小質量の星では、陽子-陽子連鎖反応が主なエネルギー源と言えます。

このサイクルの概念は、1937年から1939年にかけて、物理学者のハンス・ベーテとカール・フリードリヒ・フォン・ヴァイツゼッカーによって提唱されました。特にベーテはこの業績により、1967年にノーベル物理学賞を受賞しました。CNOサイクルという名称は、この反応過程において炭素（C）、窒素（N）、酸素（O）の原子核が重要な役割を果たすことから名付けられています。

恒星の内部で水素燃焼が行われる際には、陽子-陽子連鎖反応とCNOサイクルの二つが同時に機能しています。ただし、大質量星の場合、CNOサイクルがエネルギー生成に対して大きく寄与しています。たとえば、太陽内でのCNOサイクルによるエネルギー生成は全体の約1.6%にとどまります。

CNOサイクルの条件

CNOサイクルは、温度が約1400万Kから3000万Kの範囲内で活発に行われます。この反応過程が始まるためには、カーボン-12（12C）や酸素-16（16O）といった原子核が一定量存在することが必須です。近年の元素合成理論によれば、ビッグバン時に生成された元素の中には炭素や酸素がほとんど含まれていないとされています。そのため、初期宇宙における第一世代の恒星（種族III）の内部ではCNOサイクルによるエネルギー生成が起こらなかったと考えられています。これらの星々は、ヘリウムから炭素を生成するトリプルアルファ反応を経て、超新星爆発によって炭素を星間物質に供給しました。この結果、第二世代以降の恒星では、元々炭素原子核が含まれており、CNOサイクルの触媒として活躍するようになりました。

CNOサイクルの詳細

CNO-1サイクル

CNOサイクルの最初の反応であるCNO-1サイクルでは、4つの水素原子核が1つのヘリウム原子核に変わります。ここでの反応経路は、炭素や窒素を介して進行します。CNOサイクルの最後の反応で生成されたカーボン-12（12C）が再び水素と融合し、サイクルを継続させます。このプロセスでは、生成される13N（窒素-13）や15O（酸素-15）が不安定な核種であり、迅速にベータ崩壊を経て陽電子とニュートリノを放出します。CNO-1サイクルは、水素をヘリウムに変換し、余剰エネルギーをガンマ線として放出します。

CNO-2サイクル

CNO-2サイクルでは、15Nと水素が融合する際に、約0.04%の確率で16Oとガンマ線光子が生成されることがあります。このプロセスでも、生成したフッ素原子核は触媒の役割を果たし、サイクル内に蓄積されないようになっています。

エネルギー生成

CNOサイクルにおけるエネルギー生成効率は非常に高く、1サイクルあたり約25MeVのエネルギーが生成されます。CNOサイクルが完結するまでの時間は約3.8億年で、これは陽子-陽子連鎖反応の約10億年よりも短いです。その結果、大質量星では単位時間あたりのエネルギー生成率が小質量星よりも高くなるのです。

また、CNOサイクルは温度変化に対して非常に敏感な反応です。具体的には、そのエネルギー生成率は温度の15乗に比例するため、温度が5%上昇すると、出力されるエネルギーは約2.08倍に増加します。

まとめ

CNOサイクルは、恒星内部における重要な水素からヘリウムへの変換プロセスであり、大質量星のエネルギー生成において中心的な役割を果たしています。炭素、窒素、酸素の原子核がサイクルの触媒として機能し、多様な反応経路を通じて恒星のエネルギーを供給します。このサイクルの理解は、天文学や宇宙物理学において、星の進化や元素合成のメカニズムを解明する上で必須とされています。

もう一度検索