Почему звезды становятся красными гигантами?

Отказ от ответственности: я не профессиональный астроном. У меня нет телескопа. У меня нет профессиональных полномочий. Но я нахожу это увлекательным и поглощаю все астрономические документальные фильмы, которые могу.

Итак, я посмотрел множество документальных фильмов, описывающих звездную эволюцию. Я понимаю, что ниже определенного порога звездная смерть не связана со сверхновыми. Я понимаю, что сверх этого порога сверхновые могут создавать нейтронные звезды, магнитары или (если сверхновая квалифицируется как гиперновая) черные дыры.

Однако в течение долгого времени мне было любопытно, почему звезды ниже порога сверхновой - как наше собственное Солнце - становятся красными гигантами.

Из документальных фильмов меня проинструктировали, что (для звезд ниже порога сверхновой), когда слияние ядра звезды не может продолжаться… слияние прекращается, и звезда начинает разрушаться под действием силы тяжести.

Когда гравитация сокрушает звезду, я понимаю, что звезда нагревается, поскольку гравитация сокрушает ее. В результате, хотя звездное ядро ​​остается «мертвым» (не происходит синтеза), «оболочка» газа вокруг звездного ядра становится достаточно горячей, чтобы начать плавить гелий. Поскольку слияние происходит как «оболочка» вокруг звездного ядра, толчок наружу от слияния - это то, что толкает внешние слои звезды дальше. В результате звезда превращается в красного гиганта.

Мой вопрос таков: почему слияние прекращается в ядре ?! Мне кажется, что, когда гравитация сокрушит звезду, звездный синтез снова зародится в самом ядре, а не в сфере вокруг ядра. Почему звездное ядро ​​остается «мертвым», а его «оболочка» начинает слияние ???

(Это несколько упрощено, но я надеюсь, что это поможет понять идею.)

Реакции прекращаются в ядре, потому что у него заканчивается топливо. Во время главной последовательности звезда поддерживается слиянием водорода с гелием. В конце концов, водород заканчивается в центре, поэтому слияние водорода там больше невозможно.

Почему он не начинает сразу же превращать гелий в углерод? Это потому, что ядро ​​еще не горячо или недостаточно плотно. Различные реакции в значительной степени зависят от наличия различных резонансных состояний в ядрах, и в случае гелия такое состояние не может быть достигнуто достаточно часто, пока температура ядра не станет примерно Кельвин.$10^8$

Чтобы нагреться, ядро ​​должно сжиматься и нагреваться. Это в конечном итоге происходит (если звезда достаточно массивна), но не происходит мгновенно. Помните, что газ все еще горячий и находится под высоким давлением, которое он оказывает на себя и на свое окружение.

Между тем, на краю сердцевины, звезда (частично в результате упомянутого сжатия) является достаточно горячим , чтобы превратить водород в гелий, так что он делает это. Это именно ядерная оболочка, которая отличает внутреннюю структуру красного гиганта.

Так что, возможно, подумайте об этом так. Представьте себе звезду в конце главной последовательности. Где это достаточно жарко, чтобы сжечь водород в гелий? Везде до края ядра! Это ядро ​​перегорает? Нет, потому что нет топлива. Так где же это предохранитель? На краю ядра, которое мы распознаем как оболочку.

$M\sim1.4M_{sun}$ ), то ему суждено умереть как белый карлик (или, фактически, как черный карлик в конце). Состав белого карлика, также зависит от первоначальной массы звезды. Разные массы приведут к разным композициям. Точнее, чем массивнее звезда, тем тяжелее элементы, составляющие конечный объект. Это потому, что больше массы означает больше гравитационной потенциальной энергии

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

что в свою очередь может быть преобразовано в тепло.

$10^7 K$ . Это значение , которое позволяет частицам преодолеть их кулоновский барьер (то есть, чтобы предохранитель ). После синтеза водорода, когда большая часть ядра состоит из гелия, естественно, что синтез водорода больше не может происходить. Ядро начинает разрушаться и нагревается. Для звезды, подобной Солнцу, достаточно массы, чтобы сжаться до уровня, который нагревает ядро ​​до уровня, достаточного для начала горения Не. Но это все. Когда гелий также превращается в углерод, у звезды недостаточно массы, чтобы снова сжаться до уровня, который запускает другую реакцию ядерного синтеза.$(1)$$(2)$ есть градиент температуры в звездах, подобных Солнцу, это означает, что (помимо корона) температура увеличивается, когда вы идете снаружи к ядру. Теперь, если ядро ​​сжимается и становится настолько горячим, чтобы сжигать гелий, оболочка «вне» ядра (которая в схеме, подобной луку, находилась в радиусе предыдущего ядра, сжигающего водород), все еще остается достаточно горячей, чтобы сжигать водород. Размер ядра гелия-горения меньше водорода сжигания ядра (это сжатие по определению). В оболочке все еще достаточно водорода, а современный достаточно глубоко внутри звезды (что означает высокую температуру), чтобы позволить ядерный синтез водорода. Если звезда была более массивной, могло произойти больше вещей, таких как слияние ядер более тяжелых элементов, и все больше и больше горящих оболочек.

Взгляните на это: Ссылка 1 , Ссылка 2 .

Ссылка 3 для некоторых чисел тоже.

Для более фундаментального понимания полезно понять трудности слияния He-4 с C-12. Это называется процессом тройной альфы.

Когда два ядра He-4 (альфа-частицы) имеют достаточную энергию для преодоления кулоновского барьера и выравнивания их поперечных сечений, образуется Be-8. Ядро Be-8 настолько нестабильно (из-за того, что оно энергетически выгодно для рассматриваемых нуклонов в виде двух альфа-частиц), что его период полураспада составляет около 10-17 секунд, что является удивительно коротким. Следовательно, для получения C-12 три альфа-частицы должны соединяться почти мгновенно, две производят Be-8, и в этом пороге полураспада третья взаимодействует.

Подумайте немного о том, насколько экстремальными должны быть условия ядра, чтобы вероятность того, что три альфа-частицы соберутся вместе и успешно взаимодействуют почти мгновенно, и чтобы это произошло достаточно раз, чтобы произвести энергию, необходимую для выведения ядра из вырождения. , Для начала синтеза гелия требуется около 100 млн. К, в отличие от 15 млн. К ядра Солнца (протон-протонная цепь которого протекает в течение примерно 99% реакций) в настоящее время. Эта температура обеспечивается как невероятным давлением вырожденного ядра, так и дополнительной энергией, обеспечиваемой оболочкой.

Слияние оболочки начинается до процесса тройной альфа, потому что, когда ядро ​​сжимается и становится вырожденным, из ядра излучается так много энергии, что он нагревает непосредственные окружающие слои до точки, где он может начать плавиться H-to-He, на самом деле это так жарко, что слияние оболочки происходит по циклу CNO.

Внешние слои звезды быстро расширяются, поскольку от этой оболочки излучается огромное количество энергии, которая плавится при температуре, намного более высокой, чем ядро ​​сегодня.

Я думаю, что вы похожи на меня, и вам нужно больше ответа непрофессионала. Если вы хотите получить хорошее, простое для понимания объяснение того, что происходит, посмотрите «Формирование и эволюция Солнечной системы» в Википедии, а затем нажмите 5.3 (Солнце и планетные среды). Солнце фактически расширится в два раза: однажды, когда ядро ​​становится настолько горячим от ускоренного синтеза водорода (когда ядро ​​солнца становится горячее, водород сгорает быстрее), что водород в оболочке вокруг ядра начинает плавиться (это слияние водорода в оболочке что выталкивает наружные слои примерно до 1 AU). Затем примерно через 2 миллиарда лет. Ядро достигает критической плотности / температуры (из-за увеличенного количества гелия), что гелий начинает плавиться в углерод. На данный момент, гелий "вспышка" и солнце сжимается обратно примерно в 11 раз от первоначального размера. Гелий в ядре плавится в углерод в течение примерно 100 миллионов лет, пока не произойдет то же самое (за исключением этого времени водород и гелий в оболочке вокруг ядра начинают плавиться, вызывая повторное расширение внешних слоев. Это происходит после того, как гелий начинает привыкать вверх (или «загрязнен» углеродом, достаточным для остановки процесса синтеза), и не хватает массы, чтобы начать синтез углерода, чтобы планетарная туманность была выброшена и звезда начала «умирать».

Я предлагаю вам прочитать эту статью на http://www.space.com/ .

Цитирую из этого:

Большинство звезд во вселенной - звезды главной последовательности - те, которые преобразовывают водород в гелий посредством ядерного синтеза. Звезда главной последовательности может иметь массу, в три-восемь раз превышающую массу Солнца, и в конечном итоге прожечь водород в своем ядре. В течение своей жизни внешнее давление слияния уравновешивалось внутренним давлением гравитации. Как только процесс синтеза прекращается, гравитация берет на себя инициативу и сжимает звезду меньше и плотнее.

Температуры повышаются с сокращением, в конечном итоге достигая уровня, при котором гелий способен плавиться в углерод. В зависимости от массы звезды сжигание гелия может быть постепенным или начинаться со взрывной вспышки. Энергия, произведенная синтезом гелия, заставляет звезду расширяться во много раз по сравнению с ее первоначальным размером.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Википедия предоставляет более глубокое понимание:

Когда звезда истощает водородное топливо в своем ядре, ядерные реакции больше не могут продолжаться, и поэтому ядро ​​начинает сжиматься из-за собственной гравитации. Это приносит дополнительный водород в зону, где температура и давление являются достаточными для возобновления синтеза в оболочке вокруг ядра. Более высокие температуры приводят к увеличению скорости реакции, достаточной для увеличения яркости звезды в 1000–10 000 раз. Внешние слои звезды затем значительно расширяются, и начинается фаза жизни красного гиганта.

Мой вопрос таков: почему слияние прекращается в ядре ?! Мне кажется, что, когда гравитация сокрушит звезду, звездный синтез снова зародится в самом ядре, а не в сфере вокруг ядра. Почему звездное ядро ​​остается «мертвым», а его «оболочка» начинает слияние ???

Наше солнце находится примерно на полпути через свою «главную последовательность» или стадию слияния с водородом. Слияние в ядре звезды является частью ее динамического равновесия .

• Гравитационное поле звезды (созданное ее массой) имеет тенденцию сжимать ее массу к ядру. Чем более сжато вещество, тем горячее оно становится.

• Выделение энергии, вызванное слиянием элементов в ядре, имеет тенденцию рассеивать вещество от ядра. Дисперсия вещества из ядра имеет тенденцию к снижению его температуры.

Размер звезды обусловлен, по крайней мере частично, динамическим равновесием, при котором силы гравитационного сжатия равны силам расширения, создаваемым синтезом. Это называется гидростатическим равновесием звезды .

Количество энергии, которая выделяется на единицу массы, уменьшается по мере слияния более тяжелых элементов. Большая часть энергии выделяется для плавления водорода, меньше выделяется при плавлении гелия и так далее. В конце концов, достигается точка (плавление железа), при которой количество энергии, необходимой для плавления элементов, больше, чем энергия, выделяемая реакцией синтеза. Считается, что железное ядро ​​таких звезд «не плавится», потому что, если ядро ​​нагревают до температуры, необходимой для синтеза железа, в результате реакции выделяется недостаточно энергии для поддержания температуры.

В этот момент звезда становится все более неспособной поддерживать гидростатическое равновесие, даже когда ее масса конденсируется. Что будет дальше, зависит от того, насколько массивна звезда и достаточно ли сильна ее гравитационное поле, чтобы превысить давление вырождения электронов ее массы.