Antimaterie-Vernichtung in Sternen

Elektronen vernichten sich mit Positronen, die durch Fusionsprozesse in Sternen erzeugt werden. Welche Teilchenwechselwirkung erzeugt neue Elektronen, damit die Sonne nicht an Elektronen verliert? Oder passiert überhaupt etwas anderes?

Regelmäßige Fusionszyklen in Sternen produzieren Neutrinos und Positronen wie Nebenprodukte. Diese Positronen vernichten sich mit Elektronen, die sich bereits im Plasma des Sterns befinden, um das Licht zu erzeugen, das wir schließlich sehen. Wie werden diese Elektronen ersetzt?

antimatter

— Josh Bilak
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Sie könnten die regelmäßige Fusion (die in regulären Sternen wie der Sonne auftritt) mit Sternen der Paarproduktion verwechseln - riesigen Sternen mit einer so hohen Energiedichte in ihren Kernen, dass sie spontan Elektronen-Positronen-Paare produzieren.

— Antlersoft

— Josh Bilak

Ich habe Ihre Klarstellung in einen Kommentar in Ihre Frage eingefügt. Ich möchte möglicherweise wichtige Bedeutungen nicht entfernen, aber ich denke, der Text sollte jetzt irgendwie klarer gemacht werden. Fühlen Sie sich frei, es zu bearbeiten, damit es genau das sagt, was Sie wissen möchten.

— Peterh - Wiedereinsetzung Monica

Antworten:

Die Proton-Proton-Kette wandelt schließlich vier Protonen in einen Heliumkern um. Die Ladung der 4 Protonen wurde durch 4 Elektronen ausgeglichen, aber Helium enthält 2 Protonen (und 2 Neutronen), so dass nur 2 Elektronen benötigt werden, um ausgeglichen zu werden.

Wie Sie hervorheben, setzt der Prozess der Umwandlung eines Protons in ein Neutron ein Positron (und ein Elektronenneutrino) frei, und dieses Positron vernichtet sich schnell mit einem Elektron.

Hier ist das Diagramm von dieser Wikipedia-Seite der Haupt-pp-Kette.

Der Prozess verbraucht also tatsächlich 6 Protonen und emittiert 2 Protonen, einen Heliumkern und 2 Positronen (plus ein paar Neutrinos) und ein paar Gammaphotonen. Die Positronen vernichten sich mit 2 Elektronen und setzen mehr Gammaphotonen frei (normalerweise 2 oder 3 pro Stück, abhängig von den Spinausrichtungen von Positron und Elektron).

Wenn Sie alles addieren, sehen Sie, dass der elektromagnetische Ladungsausgleich unverändert bleibt.

Wir begannen mit 4 Protonen, die durch 4 Elektronen in der Nähe des Sternkernplasmas ausgeglichen werden. (Wir können das Zwischenpaar von Wasserstoff ignorieren, das schließlich wieder emittiert wird). Am Ende haben wir einen Heliumkern, der nur 2 Elektronen benötigt, um elektrisch ausgeglichen zu werden. Wenn diese anderen 2 Elektronen nicht vernichtet würden, würde der Stern einen Überschuss an negativer Ladung aufbauen.

— PM 2Ring
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Das verdeutlicht, wie die Ladungserhaltung nicht verletzt wird und liefert detailliertere Informationen zum Gesamtprozess. Wenn wir jedoch ständig die von Ihnen erwähnten Elektronenpaare verlieren, wie hat der Stern nach Milliarden von Jahren des Brennens Elektronen? Werden sie von einer Neutronen- zu einer Protonen / Elektronen / Neutrino-Reaktion zurück in den Kreislauf gebracht? Wenn ja, was löst dies aus? Wenn nicht, gibt es eine andere Reaktion, die Elektronen liefert?

— Josh Bilak

@ Josh Nein, die Elektronen werden im Wesentlichen durch den Prozess der Erzeugung von Neutronen verbraucht. Aber warum ist das ein Problem? Ein Stern verbrennt im Allgemeinen weniger als 50% seiner ursprünglichen Wasserstoffversorgung während seiner Lebensdauer.

— PM 2Ring

10^{26}

$10^{26}$

Die stellare Nukleosynthese verringert also allmählich die Anzahl der Elektronen und Protonen im Universum, erhöht jedoch die Anzahl der Neutronen. Wenn sich ein Neutronenstern bildet, wird eine ganze Reihe von Protonen + Elektronen schnell in Neutronen (plus Neutrinos) umgewandelt. In einigen sehr großen Sternen erzeugen hochenergetische Gammastrahlen zwar Elektronen + Positronenpaare, aber sie vernichten sich bald und erzeugen mehr Gammas, und dieser Prozess dauert nicht lange, da solche Sterne bald in einer Paarinstabilitäts-Supernova explodieren , die vollständig ist bläst sie auseinander.

— PM 2Ring

@JoshBilak Ich denke, der Punkt ist nur, dass ja der Stern seine Elektronen erschöpft, aber mit genau der gleichen Geschwindigkeit, mit der er seine Protonen erschöpft; sie bleiben im Gleichgewicht. Es gibt also keine Möglichkeit, dass dem Stern die Elektronen "ausgehen". dazu hätte es auch jedes einzelne Proton in ein Neutron umwandeln müssen, was offensichtlich nicht der Fall ist.

— Ben

Sie werden nicht ersetzt.

Fusion in gewöhnlichen Sternen bedeutet tatsächlich viele Prozesse, an denen Neutrinos am häufigsten beteiligt sind:

$p + p \rightarrow D + \nu_e + e^+$
$T \rightarrow He_3 + \nu_e + e^+$

$e^- + e^+ \rightarrow 2 \gamma$

$c$

$\beta^+$ $\nu_e$

$n \rightarrow p + e + \nu_e$ $p \rightarrow n + \overline{\nu_e} + e^+$ $W^+$ $W^-$ $Z^0$

Jedes Mal, wenn ein Elektron erzeugt wird, wird auch ein Elektronenantineutrino damit erzeugt. Wichtig ist, dass beide gleich bleiben:

die Leptonzahl (Gesamtzahl der Elektronen und Elektronenneutrinos, Antiteilchen zählen negativ)
und die elektrische Ladung (Elektron: -1, Positron: +1, Proton: +1, Neutron: 0, Neutrinos: 0)

Alle Reaktionen in den Sternen halten diese Gesetze ein.

Ps-Sterne verschmelzen hauptsächlich Wasserstoff mit schwereren Elementen. Wasserstoff hat keine Neutronen, alle schwereren Elemente haben (typischerweise wächst mit zunehmender Protonenzahl der Kerne auch das Verhältnis der Neutronen mit). Die langfristige Tendenz ist also, dass die Anzahl der Elektronen und Protonen in den Sternen abnimmt, während die Anzahl der Neutronen zunimmt. Nichts ersetzt sie. Das ultimative Ende, das nur bei größeren Sternen (viel größer als die Sonne) möglich ist, sind die Neutronensterne, die nur sehr wenig Elektronen (und Protonen) haben, und der Stern ist meistens eine große Neutronenkugel.

— Peter - Setzen Sie Monica wieder ein
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Elektronen, die sich bereits im Sternplasma befinden, interagieren also mit Positronen, die aus der p → n + νe + e + -Reaktion stammen. Diese Vernichtung in Gammastrahlung führt nicht dazu, dass die Elektronen "zerstört" werden? Wenn dies der Fall ist, würden die Elektronen, die ursprünglich im Stern aus dem Nebel, aus dem er gebildet wurde, stammen, irgendwann ausgehen, wenn eine andere häufige Reaktion im Stern nicht mehr liefert. füllt die Reaktion n → p + ve + e sie wieder auf? Ich verstehe, dass der Stern nicht gegen Naturschutzgesetze verstößt. Können Sie klarstellen, nicht wie die Ladung erhalten bleibt, sondern wie die tatsächlichen Elektronen im Stern verbleiben?

— Josh Bilak

@JoshBilak Nein, Elektron + Positron erzeugt zwei Gammaphotonen. Ich habe diese Version in der Post nicht erklärt, aber nicht. Ja, die Vernichtung zerstört Elektronen, aber sie zerstört auch die gleiche Anzahl von Positronen. Das Sternplasma ist eine Suppe aus vielen Teilchen, und die Vernichtung von Positronen mit Elektronen hat eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit (im Vergleich zu den anderen Reaktionen). Daher leben die wenigen erzeugten Positronen vor der Vernichtung nur sehr wenig (möglicherweise Nanosekunden oder so). Dies ist jedoch nicht wichtig, sondern dass sowohl die gesamte Leptonzahl als auch die gesamte elektrische Ladung in den Reaktionen erhalten bleiben.

— Peterh - Wiedereinsetzung Monica

Die Ladung wird konvergiert, weil wir, wenn wir die verschiedenen möglichen Reaktionen detailliert beschreiben, keine einzige finden können, die die Ladungserhaltung verletzen würde. Dass die Elektronen im Stern nicht abgereichert sind, wäre keine strenge Voraussetzung. Die strikte Anforderung ist, dass sowohl die Ladung als auch die Lepton-Nummer erhalten bleiben. Die Elektronen bleiben nur, weil es ihre einzige Möglichkeit ist, die Erhaltungsgesetze einzuhalten. Es gibt jedoch eine Ausnahme: Es gibt eine einzige Möglichkeit für einen Stern, (fast) alle seine Elektronen zu zerstören: Wenn sie ihre Protonen zu Neutronen "verbinden". Dies zerstört auch (fast) alle

— peterh - Reinstate Monica

Protonen darin (und erzeugt eine so große Masse an Neutrinos, dass wir sie in Milliarden von Lichtjahren Entfernung nachweisen können). Beachten Sie, wie ich in dem Beitrag schrieb, dass die tatsächliche Reaktion komplexer ist, nur das Nettoergebnis ist, dass Elektron + Proton -> Neutron + Neutrino! Dies geschieht bei Supernova-Explosionen. Das Ergebnis ist, dass die Suppe aus Protonen und Elektronen zu einer neutralen Neutronenkugel wird. Das ist der Neutronenstern. Das letzte, was wir sehen konnten, geschah 1987 (für uns geschah es tatsächlich vor vielen Jahrtausenden).

— Peter - Wiedereinsetzung Monica

Die Sonne ist zu klein, um jemals ein Neutronenstern zu werden, aber größere Sterne können es. Das Problem dabei ist, dass Neutronen eine etwas größere Masse als das Proton haben und daher zu viele Neutronen nicht gerne zusammen im Stern existieren. Das freie Neutron zerfällt zu einem Proton + Elektron + Neutrino mit einer Halbwertszeit von etwa 20 Minuten. In einigen neutronenreichen Kernen können sie länger existieren (Tritium hat beispielsweise 1 Proton und 2 Neutronen, zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12 Jahren) Nur die nuklearen Prozesse können nicht zu viele Neutronen erzeugen. Ein Neutronenstern kann nur erzeugt werden, wenn es etwas gibt, das die Protonen "komprimiert"

— Peter - Reinstate Monica

Ich stehle ein bisschen von anderen Antworten, nur um den Punkt hier zu verdeutlichen. Was folgt, ist nicht genau, wie alles passiert, sondern sollte klarstellen, wie Elektronen und Positronen ausgeglichen sind.

Der Schlüssel zur Antwort liegt in diesem Teil der Reaktion: Zwei Wasserstoffatome werden zu einem Wasserstoffatom. Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Elektron und einem Proton und null oder mehr Neutronen. In diesem Schritt emittiert das Proton in einem Wasserstoffatom ein Neutron und emittiert ein Positron, das wiederum das Elektron des Wasserstoffatoms vernichten kann. Dies führt zu Wasserstoffatomen (mit einem Proton und einem Neutron und einem Elektron) und zwei Gammastrahlen.

— Tuomas
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