Jak czerwony olbrzym może stać się tak duży?

Podobno kiedy słońce stanie się czerwonym olbrzymem, wzrośnie ono na tyle, by pochłonąć Ziemię.

Wymaga to jednak rozszerzenia promienia Słońca o współczynnik około 215 ×, co oznacza, że ​​jego objętość musiałaby wzrosnąć o 10 000 000 ×.

Może to tylko ja, ale coś w tym nie wydaje się intuicyjne :-) zwłaszcza, że ​​słońce nie zyskuje dużo masy. Co dokładnie z pierwiastkami topiącymi cięższymi niż wodór sugeruje, że reagenty i / lub produkty zajmują 10 000 000 x tyle więcej objętości? Nikt nigdy tego nie wyjaśnia, wyjaśniając gwiezdne życie, i nie rozumiem, dlaczego tak powinno być. (W rzeczywistości spodziewałbym się, że fuzja spowoduje zmniejszenie objętości, biorąc pod uwagę, że jądra się łączą ...)

Edytować:

Wygląda na to, że istnieją 2 rodzaje czerwonych olbrzymów, niektóre występujące podczas syntezy wodoru, niektóre helu.
Jeśli odpowiedź jest inna dla tych dwóch typów, chciałbym przynajmniej znać odpowiedź dla typu helu (choć oczywiście doceniłbym tę, która idzie dalej i odnosi się do obu).

Moim zdaniem żadne z tych wyjaśnień tak naprawdę nie obejmuje faktycznego powodu ekspansji czerwonych gigantów. Rzeczywiście, ten temat wydaje się być obszarem, w którym ludzie po prostu tworzą wszystko, co wydaje się prawdopodobne, ale często jest całkiem błędne (Fraser Cain wspomina zarówno ciśnienie światła, jak i większą głośność w lejącej się skorupie, ale ciśnienie światła nie odgrywa żadnej roli, a objętość skorupy niewiele różni się od rdzenia, który jest znacznie mniejszy niż rdzeń Słońca). Wyjaśnijmy historię.

Wiele opisów zawiera niektóre kluczowe elementy, w tym fakt, że masz powłokę syntezy wodoru zachodzącą na obojętnym zdegenerowanym rdzeniu helu. Ale kluczowym powodem ekspansji jest to, że sposób, w jaki ta skorupa samoreguluje szybkość fuzji, różni się nieco od sposobu, w jaki jądro Słońca samoreguluje teraz swoją fuzję.

Teraz jądro Słońca samoreguluje szybkość fuzji, dopasowując ją do szybkości, w jakiej energia (w postaci światła) dyfunduje przez masę Słońca. Sposób, w jaki to robi, jest zasadniczo taki sam we wszystkich gwiazdach o sekwencji głównej: regulują one temperaturę rdzenia, dlatego temperatura rdzenia bardziej świecących gwiazd o sekwencji głównej jest nieco wyższa. Ale to wcale nie jest sposób, w jaki skorupa łącząca się z czerwonym olbrzymem sam reguluje szybkość fuzji - nie może regulować swojej temperatury, ponieważ temperatura jest mu przekazywana przez grawitację zdegenerowanego rdzenia, na którym się znajduje. (To ustawia temperaturę za pomocą twierdzenia wirusowego, to jest kluczowy sposób, w jaki zdegenerowany rdzeń wpływa na powłokę - ustawia swoją temperaturę.) Ponieważ skorupa nie reguluje swojej własnej temperatury, temperatura jest zwykle wysoka, zwłaszcza, gdy rdzeń nabiera masy (dlatego jasność rośnie z czasem). Fuzja jest bardzo wrażliwa na temperaturę, więc utknięcie z bardzo wysoką temperaturą powoduje, że szybkość fuzji spadaszaleństwo . Reszta gwiazdy nie jest w stanie obsłużyć tego spektakularnego stopnia zespolenia, więc dzieje się coś innego.

Gwiazda się zaciąga, a tym samym znajdujemy sposób, w jaki powłoka reguluje swoją własną szybkość fuzji: podnosi ciężar z muszli . Zmniejsza to ciśnienie w powłoce, co kompensuje wysoką temperaturę i sprowadza szybkość stapiania do tego, co może zarządzać reszta gwiazdy (która jest ustalana przez szybkość, z jaką światło może dyfundować przez powłokę). Istnieje więc prawdziwy powód - gwiazda musi znaleźć sposób na podniesienie ciężaru z szalonej, wysokotemperaturowej skorupy, aby nie dopuścić do szaleństwa, ale wynik jest taki, że szybkość fuzji jest wciąż dość wysoka i rośnie masa rdzenia rośnie, co powoduje, że temperatura skorupy rośnie jeszcze bardziej, a gwiazda jeszcze bardziej się wydmuchuje.

Jest tu ładny opis . Pamiętaj, że gwiazda jest zbudowana z gazu (dobrze plazma, jeśli chcesz być wybredna), więc nie ma ustalonej objętości. Po rozpoczęciu fuzji gwiazda będzie się rozszerzać, aż osiągnie rozmiar, w którym może zrównoważyć ilość energii wytwarzanej przez fuzję z ilością wypromieniowaną z powierzchni. Jeśli jest za mały, rozgrzeje się, powodując ekspansję, która (w zależności od tego, które części gwiazdy się rozszerzają) zmniejszy wytwarzaną energię i zwiększy promieniowaną ilość. Bardziej szczegółowe zrozumienie tego wymaga śledzenia zmian temperatury i gęstości w zależności od głębokości gwiazdy.

U czerwonego olbrzyma energia jest wytwarzana nie w rdzeniu, ale w kulistej powłoce otaczającej rdzeń (ponieważ w rdzeniu mniej lub bardziej brakuje paliwa). Jest to w rzeczywistości większa objętość, więc wytwarza się więcej energii. Gwiazda rozszerza się, aż będzie w stanie wypromieniować całą tę energię.

Znalazłem opis z umiarkowanymi ilościami matematykizwłaszcza na stronie 132. Więc jedno ma jądro helu, a fuzja wodoru zachodzi tuż za nim. Oznacza to, że masa „powyżej” warstwy stapiania jest mniejsza, a więc stapianie odbywa się przy niższych ciśnieniach niż w rdzeniu. Wymaga to wyższych temperatur w tej warstwie, a kiedy wykonasz równania, znacznie wyższa całkowita energia wyjściowa. Ten przepływ energii, niezależnie od tego, czy promieniowanie, czy konwekcja dociera do zewnętrznych warstw gwiazdy i początkowo je podgrzewa, powodując ich rozszerzanie (ponieważ grawitacja gwiazd jest mniej więcej niezmieniona i dlatego nie może ich mocniej przyciągać). Podczas rozszerzania chłodzą się, co oznacza, że ​​bardziej zatrzymują promieniowanie (zimniejszy gaz jest mniej przezroczysty) i mniej promieniują, a następnie są ponownie podgrzewane i ponownie się rozszerzają. Trwa to do momentu znalezienia punktu równowagi (lub nie, dla gwiazd znacznie większych niż Słońce, które mogą w ten sposób zdmuchnąć znaczną część swojej masy), a po wykonaniu liczb okazuje się, że równowaga wymaga bardzo dużej gwiazdy. Być może jednym ze sposobów myślenia o tym jest to, że gwiazda znacznie mniej masywna niż Słońce po prostu powoli gaśnie. Wybucha gwiazda znacznie masywniejsza niż okręt podwodny. Słońce jest ułożone między nimi, więc „prawie wybucha”, ale zatrzymuje się, gdy jego zewnętrzne warstwy stają się bardzo duże.

Jedną dodatkową uwagą jest to, że gęstość w górnych częściach czerwonego olbrzyma jest dość niska - według naszych standardów jest to przyzwoita próżnia, zanieczyszczona rozgrzanym do czerwoności gazem. Ponieważ jednak gwiazda jest tak duża, wciąż jest nieprzezroczysta, dlatego liczymy to jako część gwiazdy.

Rozmiar gwiazdy w równowadze jest równowagą sił, ciśnieniem wytwarzanym przez gorącą plazmę, ogrzewaną przez reakcje jądrowe w rdzeniu, równoważoną grawitacją.

Na szybkość zgrzewania silnie wpływa temperatura. Zwiększ nieco temperaturę, a wydostanie się o wiele więcej energii. Gdy rdzeń zaczyna brakować wodoru, zaczyna się zapadać i nagrzewać, tworząc obojętny zdegenerowany rdzeń helowy otoczony otoczką szybko palącego się wodoru. W tej nowej równowadze uwalnia się znacznie więcej energii. To pozytywne sprzężenie zwrotne oznacza, że ​​coś, co wydaje się małą zmianą (spalanie rdzenia na powłokę), ma ogromny wpływ na wydajność energetyczną gwiazdy.

Teraz, gdy gwiazda ewoluuje, zużywa o wiele więcej energii na sekundę. Aldebaran wytwarza 500 razy więcej energii na sekundę niż słońce, mimo że jest tylko trochę większy.

To powoduje, że gwiazda powiększa się, ale gdy gwiazda się powiększa, zewnętrzne warstwy są dalej od środka ciężkości, a zatem siła grawitacji na nich jest zmniejszana, zgodnie z odwrotnym prawem kwadratowym. Przy mniejszej grawitacji wzrost wielkości jest zwiększany. Tak więc duży wzrost mocy staje się ogromnym wzrostem wielkości. Dlatego wzrost wielkości jest o wiele większy niż zwykła intuicja na temat ekspansji gorącego gazu.

W końcowych etapach ewolucji gwiazdy rozmiar gwiazdy rośnie bez ograniczeń, ponieważ grawitacja gwiazdy nie wystarcza do utrzymania jej zewnętrznych warstw związanych z gwiazdą i staje się mgławicą planetarną.

Intuicyjnym sposobem myślenia o tym jest zrozumienie, że istnieje wiele zmian, które w gruncie rzeczy wzmacniają się nawzajem. Wzmocnienie w astronomii nie jest wcale takie rzadkie. Wyjaśnia, dlaczego grawitacja może powodować, że masywne obiekty są tak małe, ponieważ gdy masywny obiekt maleje, grawitacja i ciężar obiektu rośnie wykładniczo. W pewnym sensie dzieje się odwrotnie z Czerwonym gigantem. Grawitacja na powierzchni rośnie na tyle nisko, że rodzaj gwiazdy wchodzi w ucieczkę.

Ekspansja gwiazdy pod koniec życia jest wykładnicza. Dlatego może tak bardzo się rozwijać.

Gdyby słońce miało się podwoić, ale jego masa miała pozostać niezmieniona. W tej hipotetycznej grawitacji powierzchnia nowego Słońca jest podzielona przez 4. Jego prędkość ucieczki jest podzielona przez pierwiastek kwadratowy z 2, więc zewnętrzna warstwa ma znacznie mniejszy ciężar, ale prędkość ucieczki wciąż wiąże ją z gwiazdą. Gdy wszystko jest równe, rozszerzenie Słońca powinno spowodować jego ochłodzenie, ale stosując zasadę średniej pierwiastkowej kwadratowej dla prędkości termicznej, jeśli temperatura jest dzielona przez 2, prędkość cząsteczek wodoru i helu jest dzielona przez pierwiastek kwadratowy z 2.

W tej teorii, atomy wodoru na powierzchni poruszają się nieco wolniej, ale przy 1/4 grawitacji są bardziej wolne i mogą przemieszczać się dalej od gwiazdy na podstawie ich prędkości termicznej.

Jeśli będziemy nadal rozszerzać słońce, dojdzie do punktu, w którym zewnętrzny wodór zostanie niesamowicie luźno związany. Przy wielkości czerwonego olbrzyma, powiedzmy 1 AU w promieniu lub 215 bieżących promieniach słonecznych, grawitacja jest około 46 000 razy mniejsza, a wodór na powierzchni doświadcza jedynie przyspieszenia grawitacyjnego 0,006 m / s ^ 2, ale te same cząsteczki wodoru u czerwonego olbrzyma temperatura (około 3000 stopni K), poruszają się około 5,5 km / s. Mogą latać ponad powierzchnię na powierzchni ponad miliona kilometrów w oparciu o samą energię cieplną, w porównaniu do około 100 km obecnie na powierzchni Słońca (w oparciu o nieco poniżej 8 km / s).

W obu przypadkach zewnętrzna warstwa wodoru i helu jest w równowadze, po prostu grawitacja i wielkość czerwonego olbrzyma są tak dużo mniejsze, że w przypadku czerwonego olbrzyma równowaga jest tym bardzo luźno związanym, bardzo uwalniającym gorącym gazem. Ale to tylko część tego powodu.

Zastanów się, co jeszcze się stanie, gdy słońce starzeje się.

Źródło .

Rdzeń, w którym zachodzi fuzja, to stosunkowo niewielki region w centrum. Wokół rdzenia owinięta jest strefa radiacyjna i przewodząca. które pomagają utrzymać ciepło z fuzji uwięzionej w słońcu. W rezultacie z upływem czasu wnętrze słońca staje się coraz gorętsze, a wraz ze wzrostem temperatury rdzeń staje się większy i obejmuje coraz więcej strefy promieniowania.

Jeśli myślimy o strefie promieniowania jako rodzaju koca, który zatrzymuje ciepło wewnątrz Słońca, gdy rdzeń staje się większy i bardziej masywny, strefa promieniowania jest zarówno rozciągnięta, jak i traci masę do rdzenia, więc staje się cieńsza na dwa sposoby. Jeśli rozmiar rdzenia zostanie podwojony, fotony z rdzenia muszą podróżować przez 1/4 tyle cząsteczek. Gdy słońce starzeje się i większość fuzji zachodzi na zewnętrznej krawędzi rdzenia, jest znacznie mniej koca, aby utrzymać ciepło w pułapce. To nie tyle, że powstaje więcej energii, to ta energia ma łatwiejsza ścieżka do zewnętrznego obszaru słońca. Więc masz efekt wzmocnienia, gdy słońce rośnie, grawitacja powierzchniowa spada o kwadrat promienia, a wewnętrzne ciepło ma mniej materiału do przejścia przez zewnętrzne warstwy,

Rolę może również odgrywać wewnętrzne załamanie rdzenia. Nawet gdy w wewnętrznym rdzeniu zabraknie wodoru do stopienia i zaczyna się zapadać, akt zapadania się generuje znaczne ciepło.

Nie jestem pewien, czy to jasne, ale to moja próba wyjaśnienia, co dzieje się intuicyjnie.