Lo stato di Hoyle è uno stato risonante eccitato del carbonio 12 . Viene prodotto naturalmente durante le reazioni tripla alfa che si verificano durante la nucleosintesi stellare . L'esistenza di questo stato gioca un ruolo fondamentale nella nucleosintesi del carbonio attraverso la combustione dell'elio nelle giganti rosse e permette di riprodurre le produzioni di carbonio osservate nell'ambiente stellare.
Nel 1939, Hans Bethe pubblicò un articolo in cui indicava che la collisione di tre particelle alfa che porterebbe alla formazione di carbonio 12 all'interno delle stelle è altamente improbabile ad una temperatura di 20 milioni di gradi, vale a dire 50 volte inferiore alla temperatura necessaria affinché queste reazioni si verifichino in numero sufficiente. Nel 1951, l'astrofisico Ernst Öpik pubblicò un articolo, la cui prima versione risale aSettembre 1948, in cui discute la tripla reazione alfa come meccanismo per la formazione del carbonio e degli elementi più pesanti quando la stella entra in una fase di contrazione dopo l'esaurimento del suo idrogeno. Questa fase è ora chiamata gigante rossa e si traduce in un aumento della temperatura che consente un tasso significativo di formazione di carbonio 12 mediante tripla reazione alfa. Ha anche proposto, piuttosto che una collisione simultanea di tre particelle alfa, il passaggio attraverso la formazione intermedia di 8 Be seguito da una reazione con una particella alfa. Tuttavia il suo articolo rimarrà sconosciuto agli scienziati britannici e americani fino al 1953. Edwin Salpeter propone in parallelo, inOttobre 1951, che il carbonio all'interno delle stelle deve essere sintetizzato attraverso la tripla reazione alfa, mediante fusione di nuclei di elio. Nel 1954, Fred Hoyle predisse l'esistenza di uno stato di risonanza al carbonio 12 allora sconosciuto durante la sua ricerca sulla nucleosintesi stellare . Nel 1957 fu confermato da misurazioni sperimentali di CW Cook, William Fowler e dei loro colleghi.
Lo stato di Hoyle è il secondo stato eccitato del carbonio 12 situato a 7,654 MeV con una parità di spin di 0 + . La sua larghezza di decadimento è 9,3 ± 0,9 eV . Decresce spontaneamente verso lo stato fondamentale o passando attraverso lo stato eccitato situato a 4,44 MeV emettendo 2 fotoni ɣ , o tramite la creazione di coppie elettrone-positrone dallo stato di Hoyle direttamente allo stato fondamentale.
Dall'osservazione di questo stato, le sue proprietà precise sono ancora allo studio. Nel 2011, un calcolo ab initio degli stati debolmente legati del carbonio 12 ha trovato (oltre allo stato fondamentale e allo stato di spin 2 eccitato) una risonanza con tutte le proprietà dello stato di Hoyle.