Por que o processo de fusão do sol não acelera?

Estou correto ao dizer que o processo de fusão do sol é constante, ou seja, X quantidade de fusão acontece por dia, mais ou menos? Por que isso não acelera, ou seja, um evento de fusão cria energia para dois eventos de fusão, etc.? Toda colisão de átomo causa um evento de fusão ou a probabilidade é pequena de um evento de fusão, portanto, não é uma reação descontrolada? Ouvi dizer que a probabilidade de ocorrer um evento de fusão é de apenas 1 em 10 ¹² para cada colisão.

Estou correto ao dizer que o processo de fusão do sol é constante, ou seja, X quantidade de fusão acontece por dia, mais ou menos?

Sim, pelo menos nos prazos humanos. Você poderia razoavelmente esperar que a taxa de fusão no sol seja a mesma hoje há alguns milhares de anos atrás ou no futuro, mais ou menos uma pequena fração.

Por que isso não acelera, ou seja, um evento de fusão cria energia para dois eventos de fusão, etc.?

A energia liberada pela fusão é rapidamente distribuída como energia térmica no centro do sol, e a diferença de temperatura entre a superfície (cerca de 6000K) e o centro (estimada em 15 milhões de K) gera um fluxo de energia do quente para o frio.

Toda colisão de átomo causa um evento de fusão ou a probabilidade é pequena de um evento de fusão, portanto, não é uma reação descontrolada?

A fusão ao sol não é uma reação nuclear descontrolada (como uma massa crítica de urânio em uma reação de fissão).

É possível, em teoria, ter eventos de fusão descontrolada, mas a pressão e a temperatura para que isso aconteça não são abordadas no núcleo do sol. Para estrelas estáveis ​​como o sol, as forças e os fluxos de energia estão em equilíbrio - se o núcleo esquentasse um pouco mais, a pressão aumentaria e a estrela se expandiria ligeiramente contra a força da gravidade para compensar. Coisas interessantes acontecem quando as estrelas desequilibram e a ignição por fusão descontrolada pode ocorrer em alguns cenários .

Além disso, esse ponto de equilíbrio se move durante a vida útil de uma estrela, conforme sua mistura de elementos muda devido à fusão. Isso é previsível para muitas estrelas e forma a base das principais estrelas da sequência no diagrama de Hertzsprung-Russell

Ouvi dizer que a probabilidade de ocorrer um evento de fusão é de apenas 1 em 10 ^ 12 para cada colisão

Não sei a precisão disso, mas parece razoável. A definição de "colisão" se torna um tanto arbitrária em um ambiente denso e quente. Se você incluir apenas abordagens próximas o suficiente para fazer com que a força nuclear forte domine a interação, a proporção poderá ser maior.

Outro fato que achei interessante na mesma área é que a densidade de potência da fusão - ou seja, os watts por metro cúbico de substância - no sol é aproximadamente a mesma que a encontrada em uma pilha típica de composto . É um ambiente muito diferente do interior de um experimento de reator de fusão ou de uma bomba de fusão, com densidades de energia muito mais altas.

Não, a taxa de fusão do Sol não é absolutamente constante no tempo. O Sol está gradualmente se tornando mais luminoso e essa luminosidade é fornecida quase exclusivamente pela fusão no núcleo. No entanto, a taxa de aumento não é grande, da ordem de 10% por bilhão de anos.

O processo de fusão é extremamente lento (e ineficiente em termos de liberação de energia por unidade de volume) - a Sun libera apenas 250 W / m em seu núcleo. A razão para isso é que os eventos de fusão são extremamente improváveis, exigindo dois prótons para superar a barreira de Coulomb entre eles e um dos prótons para inversão do decaimento beta em um nêutron, formando um núcleo de deutério.$^3$

O tempo médio de vida de um próton contra esse processo no núcleo é de anos (o tempo de vida do Sol), o que significa que a taxa de fusão por próton é de cerca de s . Podemos comparar isso com uma taxa de colisão entre prótons assumindo uma velocidade térmica média de km / s para uma temperatura central de k, uma densidade numérica de prótons de m no núcleo e uma seção transversal colisional de , em que o termo entre parênteses é o comprimento de onda reduzido de Broglie. Juntando essas coisas, a taxa de colisão é$10^{10}$$3 \times 10^{-18}$- 1 v ≃ ( 3 k B T / m p ) 1 / 2 = 600 15 × 10 6 n p ~ 6 × 10 31 de - 3 σ ~ π ( ℏ / m v ) 2 n p σ v ∼ 10 12 - 1$^{-1}$$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}$ s .$^{-1}$

Assim, comparando as duas taxas, podemos concluir que apenas cerca de 1 em cada colisões termina em fusão.$3\times 10^{29}$

Se a taxa de fusão do Sol aumentasse rapidamente, o que aconteceria é que o Sol se expandisse, o núcleo se tornaria menos denso e a taxa de fusão cairia. Isso basicamente atua como um termostato, mantendo o Sol exatamente na temperatura certa para suportar seu próprio peso e fornecer a luminosidade emergente de sua superfície.

Além do mais, a explicação usual de por que a fusão não foge é incompleta. A história simples que não pode ser a história completa é que, se a fusão acontecer muito rápido, o calor se acumula e cria uma sobrepressão. Essa sobrepressão causa expansão, e a expansão funciona, diminuindo a temperatura e diminuindo a fusão até que ela corresponda à taxa de escape radiativo.

A razão pela qual isso é incompleto é que o trabalho de expansão não induz a estabilidade se ocorrer apenas contra uma pressão externa fixa, essa quantidade de trabalho é sempre insuficiente para estabilizá-lo (o que leva a "flashes de concha" mais tarde na vida de uma estrela) . A única coisa que é capaz de estabilizar a fusão é o trabalho adicional contra a gravidade , como você pode ver facilmente como a gravidade é incluída em qualquer análise desse tipo. Portanto, deve ser importante que um fugitivo local tenha o resultado líquido de retirar o gás do centro solar, realizando assim um trabalho gravitacional - um detalhe importante normalmente deixado de fora das explicações. De fato, seria mais justo dizer que a fusão solar é estabilizada por uma combinação de trabalho de expansão e elevação gravitacional.