¿Por qué las estrellas de la secuencia principal se hacen más grandes y luminosas a medida que envejecen?

Question

A medida que las estrellas envejecen, la concentración de hidrógeno en el núcleo disminuye, lo que reduce la potencia, provocando un desequilibrio entre la presión de radiación hacia el exterior y la presión gravitatoria hacia el interior. Esto provoca el colapso del núcleo, que se vuelve más denso y caliente, lo que aumenta la tasa de fusión hasta generar la presión suficiente para contrarrestar el aumento de la presión gravitatoria debido al menor tamaño del núcleo y, por tanto, a su menor superficie.

Lo que no entiendo es por qué este aumento de potencia sería mayor que antes, haciendo que la estrella sea más brillante y provocando la expansión de las capas externas. ¿No debería sumarse la fuerza total producida por el núcleo para equilibrar la gravedad de modo que la estrella mantenga su tamaño original?

Edito: Me refiero concretamente a la fase de combustión de hidrógeno de las estrellas de la secuencia principal, en la que todavía se observa este efecto.

Answer 1

La fusión del hidrógeno se produce a temperaturas relativamente bajas y densidades bajas en comparación con los procesos de fusión de orden superior. Para fusionar helio y átomos aún más pesados, se necesita mucha, mucha más temperatura.

La disipación de calor del núcleo de la estrella a la envoltura depende en gran medida del gradiente de temperatura. Así, un núcleo a temperaturas de producción de hierro pierde mucho más calor hacia la envoltura que un núcleo de fusión de hidrógeno. Y como el núcleo pierde calor mucho más rápido, también produce energía mucho más rápido, al fin y al cabo es un reactor de fusión autorregulado.

Sin embargo, dado que el núcleo de la última fase calienta la envoltura de forma mucho más eficaz y, por tanto, está mucho más caliente, también es mucho menos denso. Por tanto, el tamaño total de la estrella aumenta.

---

TL;DR:

alta temperatura de fusión -> rápida pérdida de calor (-> rápida producción de energía) -> alta temperatura de la envoltura -> baja densidad de la envoltura -> gran tamaño

Answer 2

El tamaño de la estrella depende del equilibrio entre la presión gravitatoria que quiere hacerla más pequeña y la radiación y la presión térmica de la reacción nuclear que quieren que se expanda. El tipo de reacción nuclear influye en el punto en el que se alcanza el equilibrio.

A medida que se forman las estrellas y su núcleo se hace más denso y caliente, la temperatura alcanza el punto en que el hidrógeno se quema y se convierte en helio. Son las estrellas de la secuencia principal.

Sin embargo, con el tiempo la cantidad de hidrógeno en el núcleo disminuye, y la producción de energía a partir de la combustión de hidrógeno se reduce. La gravedad pierde momentáneamente potencia y acerca más hidrógeno al núcleo. Esto provoca una situación en la que ya no hay una cantidad significativa de hidrógeno quemado en el núcleo, pero hay regiones alrededor del núcleo en las que se sigue quemando hidrógeno. En general, la cantidad de energía producida acaba siendo mayor que la original, lo que significa que la estrella se vuelve más brillante.

Sin embargo, la conservación de la energía gravitatoria y térmica dentro de la estrella (la energía radiada es mucho menor que la energía total de la estrella, por lo que, incluso con la salida de radiación, la energía total de la estrella se conserva en su mayor parte) implica que cuando una parte de la estrella se contrae, otra diferente necesita expandirse. Esto se denomina principio del espejo y lo predicen los modelos estelares. En este caso, mientras el núcleo se contrae, la envoltura se expande. El resultado es lo que es una gigante roja típica: un núcleo de helio, hidrógeno quemado en una envoltura alrededor del núcleo y una gran envoltura.

Hay otros tipos de gigantes rojas (algunas ya empiezan a quemar helio para convertirlo en carbono), pero el principio es el mismo: la radiación del núcleo deja de ser suficiente para equilibrar la gravedad, la gravedad colapsa el núcleo hasta que se alcanza un nuevo equilibrio (con mayor brillo total), la energía se transfiere a la capa exterior, la capa exterior se expande.