Чому зірки стають червоними гігантами?

Відмова: Я не кар'єрний астроном. Я не володію телескопом. У мене немає професійних даних. Але я вважаю цей матеріал захоплюючим, і я споживаю всі документальні фільми про астрономію, на які я можу.

Отже, я переглянув безліч документальних фільмів, що описують зоряну еволюцію. Я розумію, що під певним порогом зоряна смерть не передбачає наднових. Я розумію, що вище цього порогу, наднови можуть створювати нейтронні зірки, магніти або (якщо наднова кваліфікується як гіпернова) чорні діри.

Однак довго мені було цікаво, чому зірки під порогом наднової - як наше власне Сонце - стають Червоними гігантами.

З документальних фільмів мені доручили, що (для зірок нижче порогу наднової), коли злиття ядра зірки не може продовжуватися… синтез припиняється, а зірка починає руйнуватися під дією сили тяжіння.

Коли гравітація розчавлює зірку, я розумію, що зірка нагрівається, як сила тяжіння розчавлює її. Як результат, хоча зоряне ядро ​​залишається «мертвим» (не відбувається злиття), «оболонка» газу навколо зоряного ядра стає досить гарячою, щоб почати плавлення гелію. Оскільки злиття відбувається як "оболонка" навколо зоряного ядра, виштовхування від плавлення назовні - це те, що штовхає зовнішні шари зірки далі. Результат - зірка переростає в Червоного гіганта.

Моє запитання таке: Чому в ядрі припиняється синтез ?! Мені здається, що, як сила тяжіння розтрощить зірку, зоряне злиття запанує в самому ядрі, а не у сфері навколо ядра. Чому зоряне ядро ​​залишається «мертвим», тоді як його «оболонка» починає плавлення ???

(Це дещо спрощено, але я сподіваюся, що він отримає ідею в цілому.)

Реакції припиняються в ядрі, оскільки у неї закінчується пальне. Під час основної послідовності зірка підтримується шляхом злиття водню в гелій. Врешті-решт водень вичерпається в центрі, тому синтез водню там вже не можливий.

Чому він не починає плавити гелій у вуглець відразу? Це тому, що серцевина ще не гаряча або досить щільна. Різні реакції в основному покладаються на наявність різних ядерних станів у ядрах, а у випадку гелію такий стан не може бути досягнутий досить часто, поки температура ядра не досягне приблизно кельвінів.$10^8$

Для того, щоб нагрітись, ядро ​​повинно стиснутись і нагрітися. Врешті-решт це відбувається (якщо зірка досить масивна), але це не відбувається миттєво. Пам'ятайте, що газ все ще гарячий і під високим тиском, який він чинить на себе та оточення.

Тим часом, на краю серцевини, зірка (частково в результаті згаданого стиснення) є досить гарячим , щоб перетворити водень в гелій, так що він робить це. Саме ця оболонка, що спалює ядер, відрізняє внутрішню будову червоного гіганта.

Тож, можливо, подумайте про це так. Уявіть зірку в кінці основної послідовності. Де досить гаряче, щоб сплавити водень у гелій? Скрізь до краю серцевини! Він плавкий в ядрі? Ні, тому що це пальне. То де воно плавиться? На краю серцевини, яку ми визнаємо оболонкою.

$M\sim1.4M_{sun}$

$dU = - \frac{GM(r)dm}{r}$

що по черзі може перетворюватися в тепло.

$10^7 K$$(1)$$(2)$). У оболонці ще достатньо водню, а сучасний знаходиться досить глибоко всередині зірки (це означає високу температуру), щоб дозволити ядерний синтез водню. Якби зірка була більш масивною, могло б статися більше речей, як важчі елементи синтезу ядра, і все більше спалюючих снарядів.

Погляньте на це: Ref 1 , Ref 2 .

Посилання 3 для деяких чисел теж.

Для більш фундаментального розуміння корисно усвідомити труднощі злиття He-4 у C-12. Це називається процесом Triple-Alpha.

Коли два ядра He-4 (альфа-частинки) мають достатню енергію для подолання до кулонівського бар'єру і їх перерізи вирівнюються, він виробляє Be-8. Ядро Be-8 настільки нестабільне (через те, що енергетично сприятливе для того, щоб досліджувані нуклони були розташовані у двох альфа-частинках), що має період напіввиведення близько 10 ^ -17 секунд, що надзвичайно коротко. Отже, щоб отримати С-12, три альфа-частинки повинні зібратися майже миттєво, дві продукують Бе-8, і в цьому порозі періоду напіввиведення третя частина взаємодіє.

Подумайте про те, наскільки екстремальними повинні бути умови ядра, щоб дозволити три альфа-частинки зібратися і успішно взаємодіяти майже миттєво, і щоб це трапилося достатньо разів, щоб виробити енергію, необхідну для виведення ядра з виродження . В даний час синтез гелію займає близько 100 млн. К, на відміну від 15 млн. К сонячного ядра (протонно-протонна ланцюг протягом приблизно 99% реакцій). Ця температура забезпечується як неймовірним тиском виродженої серцевини, так і додатковою енергією, що подається оболонкою.

Злиття оболонки починається перед процесом потрійного альфа, тому що, коли ядро ​​скорочується і стає виродженим, від ядра випромінюється стільки енергії, що вона нагріває найближчі навколишні шари до тієї точки, де вона може почати плавити H-To-He, насправді він настільки гарячий, що синтез оболонки відбувається за циклом CNO.

Зовнішні шари зірки швидко розширюються, оскільки від цієї оболонки випромінюється величезна кількість енергії, яка плавиться за температури, набагато гарячішої, ніж ядро ​​сьогодні.

Я думаю, ти схожий на мене і потребуєш більшої відповіді неспеціаліста. Якщо ви хочете добре, легко зрозуміти пояснення того, що відбувається, подивіться на "Формування та еволюція Сонячної системи" у Вікіпедії, тоді натисніть на 5.3 (Сонце та планетарні середовища). Сонце насправді розшириться вдвічі: Одного разу, коли серцевина нагріється від прискореного синтезу водню (коли серцевина сонця стає гарячіше, водень згоряє швидше), що водень у оболонці навколо серцевини починає плавитись (цей синтез водню в оболонці є що виштовхує зовнішні шари приблизно до 1 АУ). Потім приблизно через 2 мільярди років. Ядро досягає критичної щільності / температури (через збільшення кількості гелію), що гелій починає плавитися у вуглець. У цей момент виникає «спалах» гелію а сонце скорочується приблизно в 11 разів від початкового розміру. Гелій в ядрі зливається у вуглець протягом приблизно 100 мільйонів років, поки не станеться те ж саме (крім цього часу водень і гелій в оболонці навколо серцевини не починають плавитись, внаслідок чого зовнішні шари знову розширюються. Це після того, як гелій починає звикати вгору (або "забруднений" вуглецем достатньо, щоб зупинити процес синтезу) і не вистачає маси, щоб почати синтез вуглецю, щоб планетарна туманність викидалася і зірка починала "вмирати".

Я пропоную вам прочитати цю статтю на веб-сайті http://www.space.com/ .

Цитуючи його:

Більшість зірок у Всесвіті - це основні зорі послідовності - ті, що перетворюють водень у гелій за допомогою ядерного синтезу. Зірка головної послідовності може мати масу від третини до восьми разів більше, ніж сонце, і, врешті, прогоріть через водень у своєму ядрі. Протягом свого життя зовнішній тиск плавлення врівноважився проти внутрішнього тиску сили тяжіння. Після того як синтез припиняється, гравітація бере на себе ведучу роль і стискає зірку менше і міцніше.

Температура зростає із скороченням, з часом досягаючи рівнів, коли гелій здатний сплавитись у вуглець. Залежно від маси зірки, спалювання гелію може бути поступовим або може початися вибуховим спалахом. Енергія, вироблена синтезом гелію, змушує зірку розширюватися назовні в багато разів, ніж її початкові розміри.

EDIT: Вікіпедія надає додаткову інформацію:

Коли зірка вичерпує водневе паливо в своєму ядрі, ядерні реакції вже не можуть тривати, і тому ядро ​​починає стискатися через власну силу тяжіння. Це приводить додатковий водень в зону, де температура і тиск є достатніми, щоб викликати відновлення синтезу в оболонці навколо серцевини. Більш високі температури призводять до збільшення швидкості реакції, достатньої для збільшення освітленості зірки на коефіцієнт 1000–10 000. Потім зовнішні шари зірки сильно розширюються, тим самим розпочинаючи червоно-гігантську фазу життя зірки.

Моє запитання таке: Чому в ядрі припиняється синтез ?! Мені здається, що, як сила тяжіння розтрощить зірку, зоряне злиття запанує в самому ядрі, а не у сфері навколо ядра. Чому зоряне ядро ​​залишається «мертвим», тоді як його «оболонка» починає плавлення ???

Наше сонце знаходиться приблизно на півдорозі через свою "основну послідовність" або стадію злиття водню. Злиття в ядрі зірки є частиною її динамічної рівноваги .

• Гравітаційне поле зірки (вироблене її масою) має тенденцію до стиснення її маси до серцевини. Чим сильніше стискається речовина, тим гарячіше стає.

• Виділення енергії, що утворюється в результаті синтезу елементів в основі, має тенденцію до розсіювання речовини від ядра. Дисперсія речовини з ядра має тенденцію до зниження її температури.

Розміри зірки, щонайменше частково, зумовлені динамічною рівновагою, що формується, при якій сили гравітаційного стискування дорівнюють експансивним силам, виробленим синтезом. Це називається гідростатичною рівновагою зірки .

Кількість енергії, яка виділяється на масовій основі, зменшується, коли важчі елементи плавляться. Найбільше енергії вивільняється для злиття водню, менше виділяється шляхом плавлення гелію тощо. Врешті-решт досягається точка (плавлення заліза), при якій кількість енергії, необхідної для плавлення елементів, більша за енергію, що виділяється в результаті реакції синтезу. Залізо ядро ​​таких зірок вважається «неплавким», оскільки якби ядро ​​було нагріто до температури, яка дозволила б синтезувати залізо, від реакції для підтримки температури було б вивільнено недостатньо енергії.

У цей момент зірка стає все більш нездатною підтримувати свою гідростатичну рівновагу навіть у міру конденсації. Що буде далі, залежить від того, наскільки масивна зірка і чи є її гравітаційне поле достатньо сильним, щоб перевищити тиск виродження електронів у його масі.