大质量恒星演化的碳燃烧阶段

1. 基本定义与发生条件
   碳燃烧是大质量恒星（通常指质量大于8倍太阳质量的恒星）核心在演化晚期发生的一系列核聚变反应中的一个关键阶段。在经历了氢燃烧（主序星阶段）和氢壳层燃烧后，恒星核心收缩升温，先后启动了氦燃烧（生成碳和氧）。当核心的氦耗尽后，核心再次收缩，温度急剧升高至约6×10⁸ K（6亿开尔文），密度达到约2×10⁸ kg/m³时，核心的碳元素开始发生聚变反应。

2. 核反应过程与产物
   碳燃烧主要通过两种主要的聚变途径进行：

   • 碳-碳聚变：两个碳-12原子核融合，主要产生钠-23和质子、氦-4（α粒子）、中子等，或者产生镁-20和氦-4，镁-20迅速衰变为氧-16和氦-4。
   • 碳-氦聚变：核心中残留的氦-4与碳-12反应，直接聚变成氧-16。
     这些反应的净效应是将碳转化为更重的元素，主要是氖、钠、镁和氧。碳燃烧释放的能量远少于之前的氢和氦燃烧，因此这个阶段持续的时间非常短暂，对于一颗典型的15倍太阳质量恒星，碳燃烧阶段仅持续约600年。

3. 燃烧方式与恒星结构变化
   碳燃烧并非在整个核心均匀发生。由于温度对核反应速率极其敏感（遵循极高的幂次方关系），碳燃烧往往以“爆燃”的方式在核心的中心区域首先被点燃，并形成一个向外传播的燃烧壳层。在此阶段，恒星的结构变得高度分层，像一个“洋葱”：最外层是未燃烧的氢和氦壳层，向内依次是氢燃烧壳层、氦燃烧壳层、碳燃烧壳层，而碳燃烧壳层内部则是一个正在积累氧、氖、镁等新元素的惰性核心。

4. 后续演化的决定作用
   碳燃烧的结束标志着一个关键转折点。当核心的碳耗尽后，核心会再次坍缩升温。碳燃烧的产物（主要是氧、氖、镁）为下一阶段的氖燃烧和氧燃烧准备了“燃料”。这些后续的核聚变阶段持续时间更短（从数月到数天），逐级产生硅、硫等更重的元素，直至铁族元素（铁、钴、镍）的出现。铁族元素的聚变是吸热反应，无法再提供能量支撑恒星，最终导致核心灾难性坍缩，引发超新星爆炸。

5. 在天体物理中的意义
   碳燃烧阶段对于宇宙的化学演化至关重要。正是在大质量恒星内部经过碳燃烧及后续更高级的燃烧阶段，才合成了从氧到铁区间的大量重元素。这些元素最终通过超新星爆发被抛射到星际介质中，成为新一代恒星、行星以及生命物质的原材料。对碳燃烧反应速率、能量产生率以及中微子损失（此阶段中微子冷却变得非常重要）的精确计算，是构建大质量恒星演化模型、预测超新星前身星状态以及超新星爆发机制的关键输入参数。