Как красный гигант может стать таким большим?

Возможно, когда солнце станет красным гигантом, оно станет достаточно большим, чтобы поглотить Землю.

Однако для этого требуется, чтобы радиус Солнца увеличивался примерно в 215 раз, то есть его объем должен был бы увеличиться на 10 000 000 ×.

Может быть, это только я, но что-то в этом не кажется интуитивным :-), особенно если учесть, что солнце не набирает массу. Что же касается плавления элементов, более тяжелых, чем водород, подразумевает, что реагенты и / или продукты занимают в 10 000 000 раз больше? Никто никогда не объясняет это, когда объясняет звездное время жизни, и я не понимаю, почему это так. (На самом деле, я ожидал, что слияние приведет к уменьшению объема, учитывая, что ядра объединяются ...)

Редактировать:

Кажется, есть 2 типа красных гигантов, некоторые из которых происходят во время синтеза водорода, некоторые - гелий.
Если ответ отличается для этих двух типов, я бы по крайней мере хотел бы знать ответ для гелиевого типа (хотя, конечно, я был бы признателен за тот, который идет дальше и касается обоих).

На мой взгляд, ни одно из этих объяснений не охватывает действительную причину расширения красных гигантов. Действительно, эта тема кажется областью, где люди просто придумывают все, что звучит правдоподобно, но часто это совершенно неправильно (Фрейзер Кейн упоминает и о легком давлении, и о более высоком уровне громкости в плавящейся оболочке, но легкое давление не играет никакой роли, и объем оболочки не сильно отличается от ядра, которое намного меньше, чем ядро ​​Солнца). Итак, давайте проясним историю.

Многие из описаний включают некоторые ключевые элементы, в том числе тот факт, что у вас на поверхности инертного вырожденного ядра гелия находится оболочка слияния водорода. Но основная причина расширения заключается в том, что способ, которым эта оболочка саморегулирует скорость своего слияния, несколько отличается от того, как ядро ​​Солнца саморегулирует свое слияние сейчас.

Теперь ядро ​​Солнца самостоятельно регулирует скорость своего слияния, чтобы соответствовать скорости распространения энергии (в форме света) через массу Солнца. То, как это происходит, практически одинаково для всех звезд главной последовательности: они регулируют температуру ядра, поэтому температура ядра более ярких звезд главной последовательности немного выше. Но это вовсе не то, как оболочка, сливающаяся в красном гиганте, саморегулирует свою скорость синтеза - она ​​не может регулировать свою температуру, потому что температура передается ему под действием силы тяжести вырожденного ядра, на котором она сидит. (Это устанавливает температуру с помощью теоремы вириала, которая является ключевым способом, которым вырожденное ядро ​​влияет на оболочку - она ​​устанавливает свою температуру.) Поскольку оболочка не регулирует свою собственную температуру, температура имеет тенденцию быть довольно высокой, тем более, что ядро ​​набирает массу (именно поэтому светимость увеличивается со временем). Fusion очень чувствителен к температуре, поэтому застревание при очень высокой температуре приводит к снижению скорости сваркиБерсерк . Остальная часть звезды не может поддерживать эту впечатляющую скорость слияния, поэтому происходит что-то еще.

Звезда вспыхивает, и при этом мы находим способ, которым оболочка регулирует собственную скорость слияния: она снимает вес с оболочки . Это снижает давление в оболочке, что компенсирует высокую температуру и снижает скорость слияния до уровня, который может выдержать остальная часть звезды (который задается скоростью распространения света через оболочку). Так что есть реальная причина - звезда должна найти способ снять вес со своей сумасшедшей высокотемпературной оболочки, чтобы удержать скорость слияния от сумасшествия, но в результате скорость слияния все еще довольно высока и становится выше масса ядра возрастает, повышая температуру оболочки еще больше, и заставляя звезду вспыхивать еще сильнее.

Здесь есть хорошее описание . Помните, что звезда состоит из газа (хорошо плазмы, если вы хотите быть разборчивым), поэтому она не имеет фиксированного объема. Как только начинается синтез, звезда расширяется до тех пор, пока не достигнет размера, при котором она сможет сбалансировать количество энергии, производимой в результате синтеза, с количеством, излучаемым от поверхности. Если он слишком мал, он нагревается, вызывая расширение, которое (в зависимости от того, какие части звезды расширяются) уменьшит выработанную энергию и увеличит количество излучаемого излучения. Более детальное понимание этого требует отслеживания того, как температура и плотность изменяются в зависимости от глубины звезды.

В красном гиганте энергия вырабатывается не в ядре, а в сферической оболочке, окружающей ядро ​​(поскольку в ядре более или менее заканчивается топливо). Это на самом деле больший объем, поэтому вырабатывается больше энергии. Звезда расширяется, пока не сможет излучать всю эту энергию.

Я нашел описание только с умеренным количеством математикиособенно вокруг страницы 132. Итак, одна вещь - у вас гелиевое ядро, а за его пределами происходит синтез водорода. Это означает, что "над" слоем плавления меньше массы, поэтому плавление происходит при более низких давлениях, чем когда оно происходило в ядре. Это требует более высоких температур в этом слое, а когда вы делаете уравнения, гораздо более высокий общий выход энергии. Этот поток энергии, будь то излучение или конвекция, достигает внешних слоев звезды и вначале нагревает их, заставляя их расширяться (поскольку гравитация звезд более или менее неизменна и поэтому не может тянуть их сильнее). При расширении они охлаждаются, что означает, что они больше улавливают излучение (более холодный газ менее прозрачен) и меньше излучают, и они снова нагреваются и снова расширяются. Это продолжается до тех пор, пока не будет найдена точка баланса (или нет, для звезд, намного больших, чем Солнце, которое может сдуть большую часть своей массы таким образом), и когда вы делаете числа, оказывается, что для этого баланса требуется очень большая звезда. Возможно, один способ думать об этом состоит в том, что звезда намного менее массивная, чем солнце, просто медленно гаснет. Звезда гораздо более массивная, чем подводная лодка взрывается. Солнце находится между ними, поэтому оно «почти взрывается», но останавливается, когда его внешние слои становятся очень большими.

Еще одно замечание: плотность в верхних частях красного гиганта довольно низкая - по нашим стандартам это приличный вакуум, загрязненный раскаленным газом. Однако, поскольку звезда такая большая, она все еще непрозрачна, поэтому мы считаем ее частью звезды.

Размер звезды в равновесии представляет собой баланс сил, давление, создаваемое горячей плазмой, нагретой ядерными реакциями в ядре, уравновешенное гравитацией.

Скорость слияния сильно зависит от температуры. Немного увеличьте температуру, и вы получите гораздо больше энергии. Когда в ядре заканчивается водород, оно начинает разрушаться и нагреваться, образуя инертное вырожденное ядро ​​гелия, окруженное оболочкой быстро горящего водорода. При этом новом равновесии высвобождается намного больше энергии. Эта положительная обратная связь означает, что то, что кажется небольшим изменением (от ядра к оболочке), оказывает огромное влияние на выход энергии звезды.

Теперь, когда звезда развивается, она выделяет гораздо больше энергии в секунду. Альдебаран производит в 500 раз больше энергии в секунду, чем солнце, несмотря на то, что он немного больше.

Теперь это заставляет звезду увеличиваться в размерах, но когда звезда становится больше, внешние слои находятся дальше от центра тяжести, и поэтому сила притяжения на них уменьшается в соответствии с законом обратных квадратов. При меньшей гравитации рост в размерах усиливается. Таким образом, большое увеличение мощности становится огромным увеличением в размерах. Вот почему рост в размерах намного больше, чем предсказывает простая интуиция о расширении горячего газа.

На заключительных этапах эволюции звезды размер звезды увеличивается без ограничений, так как гравитации звезды недостаточно для того, чтобы ее внешние слои были связаны со звездой, и она становится планетарной туманностью.

Интуитивно понятный способ думать об этом - понимать, что существует множество изменений, которые, по сути, усиливают друг друга. Усиление в астрономии не так уж редко. Это объясняет, почему гравитация может сделать массивные объекты такими маленькими, потому что, когда массивный объект становится меньше, гравитация и вес объекта растут в геометрической прогрессии. В некотором смысле, с красным гигантом происходит обратное. Гравитация на поверхности растет настолько низко, что звездный вид входит в убегающее расширение.

Расширение звезды в конце ее жизни экспоненциально. Вот почему он может расширяться так сильно.

Если бы солнце удвоилось в размерах, но его масса должна была остаться неизменной. В этой гипотезе поверхностная гравитация нового Солнца делится на 4. Его скорость побега делится на квадратный корень из 2, поэтому внешний слой имеет гораздо меньший вес, но скорость побега все еще связывает его со звездой. При одинаковом расширении Солнца должно происходить его охлаждение, но при использовании правила среднеквадратичного значения тепловой скорости, если температура делится на 2, скорость молекул водорода и гелия делится на квадратный корень из 2.

В этой теоретической теории атомы водорода на поверхности движутся немного медленнее, но с 1/4 силы тяжести они более свободны и могут двигаться дальше от звезды в зависимости от их тепловой скорости.

Если мы продолжаем расширять Солнце, наступает момент, когда внешний водород становится невероятно слабо связанным. При размере красного гиганта, скажем, 1 AU в радиусе или 215 текущих радиусов Солнца, сила тяжести примерно в 46 000 раз ниже, а водород на поверхности испытывает только 0,006 м / с ^ 2 гравитационного ускорения, но те же молекулы водорода в красном гиганте температура (около 3000 градусов К), движутся около 5,5 км / с. Они могут улетать с поверхности более чем на миллион км, основываясь только на их тепловой энергии, по сравнению с примерно 100 км на поверхности Солнца в настоящее время (на основе чуть менее 8 км / с).

В обоих случаях внешний слой водорода и гелия находится в равновесии, просто гравитация и размер красного гиганта настолько намного ниже, что с красным гигантом равновесие - это очень слабо связанный очень выделяющий горячий газ. Но это только часть причины.

Подумайте, что еще происходит, когда солнце становится старше.

Источник .

Ядро, где происходит слияние, - сравнительно небольшая область в центре. Вокруг сердечника находится зона излучения и зона проводимости. которые помогают сохранить тепло от синтеза в ловушке на солнце. В результате с течением времени внутренняя часть Солнца становится более горячей, а когда она становится горячей, ядро ​​становится больше и охватывает все больше и больше излучающей зоны.

Если мы рассматриваем радиационную зону как своего рода одеяло, которое удерживает тепло внутри Солнца, поскольку ядро ​​становится все больше и массивнее, радиационная зона растягивается и теряет массу для ядра, поэтому она становится тоньше двумя способами. Если размер ядра удваивается, фотоны из ядра должны проходить через 1/4 столько же молекул. Когда солнце становится достаточно старым, и большая часть синтеза происходит на внешнем крае ядра, значительно меньше одеяла, чтобы удерживать тепло в ловушке. Это не столько, что создается больше энергии, это то, что энергия имеет более легкий путь к внешней области солнца. Таким образом, вы получаете эффект усиления, поскольку солнце становится больше, поверхностная гравитация падает на квадрат радиуса, и внутреннему теплу остается меньше материала, чтобы пройти через него, чтобы достичь внешних слоев,

Внутренний коллапс ядра тоже может сыграть свою роль. Даже когда во внутреннем ядре кончается водород для плавления, и он начинает разрушаться, сам процесс разрушения генерирует значительное тепло.

Не уверен, что это понятно, но это моя попытка объяснить, что происходит интуитивно.