¿Qué causa las dimensiones de una estrella aumento cuando su combustible de hidrógeno se agota? Por ejemplo, el Sol se prevé un aumento de su radio de 250 veces. Lo que hace que esta si la temperatura que se espera para el otoño? Cómo el gas puede ampliar si la temperatura cae?
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aceinthehole
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Yo tenía la esperanza de que alguien que sabía de este tema que bien podría responder ya que han pasado unos 20 años desde que tuvo el curso, pero Creo que voy a darle una oportunidad.
Lo que sigue puede estar fuera de fecha, en algunas formas, como voy en mi la memoria de un curso que tomé en 1993 y sobre la base del texto hemos utilizado, Schwarzchild de 1958 la Estructura y la Evolución de la Estrellas. Entiendo que ha habido mucho progreso en la últimos 20 años, especialmente en cómo el campo magnético se comporta y transporta la energía.
Hay una gran cantidad de conocimientos para ser revisados.
Las estrellas de vivir en equilibrio
Una estrella es una bola de plasma que se mantienen juntas por la auto-gravitación y siempre en el local de fluido en equilibrio, por lo que es considerado "up" por el cinética de la presión del plasma. Que significa que la presión en cualquier lugar es el peso aéreo del plasma más y la densidad y la temperatura están relacionados con la presión por la ecuación de estado. Es más caliente en el medio y el calor se mueve hacia el exterior ya sea por radiación o convección procesos en función de la densidad local y los gradientes de temperatura.
En una pequeña estrella de baja masa como nuestro sol, grandes porciones de la estrella no son convectivo y que significa que el calor se lleva a muchos miles de años para hacerlo desde el núcleo hasta la superficie.
La energía para mantener la alta temperatura del núcleo proviene de dos fuentes
- A partir de la fusión de elementos ligeros
- A partir de la conversión de energía potencial a cinética térmica la energía como la masa de los contratos (Virial calefacción)
La composición de las estrellas
Al menos en los primeros días, las estrellas se clasifican en términos de la fracciones de hidrógeno, helio y todo lo demás (llamado "metales"), que contenían. Debido a la nucleosíntesis del big bang la mayoría de las estrellas son aproximadamente un 75% de hidrógeno, 25% helio y un pizca de metales. En la población de estrellas como nuestro sol esta sesga un poco hacia una mayor metalicity, pero que va más allá de mi discusión.
La estructura de una joven estrella de poca masa
Yo soy, simplemente, ir a tomar el Sol como ejemplo. El núcleo y las capas externas no son convectivo y hay una convección región en el medio. La capa convectiva es eficiente mixto, pero el núcleo es casi estático. La mezcla se produce sólo por la difusión y la media de los caminos libres son muy cortos por lo que el núcleo se toma para ser casi sin mezclar.
La fusión de los ciclos de
protones--de protones de la cadena (la combustión del hidrógeno) $$\mathrm{H} + \mathrm{H} \to \mathrm{D} + e^+ + \nu_e + 1.44\,\mathrm{MeV} $$ $$\mathrm{D} + \mathrm{H} \to {}^3\mathrm{He} + \gamma + 5.46\,\mathrm{MeV} $$ $${}^3\mathrm{He} + {}^3\mathrm{He} \to {}^4\mathrm{He} + \mathrm{H} + \mathrm{H} + 12.85\,\mathrm{MeV} $$ La escala de tiempo de reacción en el que el sol está controlada por la el primer paso que tiene un período de semidesintegración de cualquier particular de protones de alrededor de 14 mil Millones de años. (Ganancias energéticas excluir que llevar por los neutrinos.)
ciclo del carbono (carbono catalizada por la combustión del hidrógeno proceso) $$ {}^{12}\mathrm{C} + \mathrm{H} \to {}^{13}\mathrm{N} + \gamma + 1.95\,\mathrm{MeV} $$ $$ {}^{13}\mathrm{N} \to {}^{13}\mathrm{C} + e^+ + \nu_e + 2.22\,\mathrm{MeV} $$ $$ {}^{13}\mathrm{C} + \mathrm{H} \to {}^{14}\mathrm{N} + \gamma + 7.54\,\mathrm{MeV} $$ $$ {}^{14}\mathrm{N} + \mathrm{H} \to {}^{15}\mathrm{O} + \gamma + 7.35\,\mathrm{MeV} $$ $$ {}^{15}\mathrm{O} \to {}^{15}\mathrm{N} + e^+ + \nu_e + 2.71\,\mathrm{MeV}$$ $$ {}^{15}\mathrm{N} + \mathrm{H} \to {}^{12}\mathrm{C} + ^4\mathrm{H}e + 4.96\,\mathrm{MeV} $$ Cuando el carbono está disponible de este producto con una vida media de sólo 30 millones de años, por lo que es muy rápido. Sin embargo, en el inicio de su vida incluso una población de estrellas tiene muy poco carbono para trabajar, así que la producción de energía en el sol está todavía dominado por la protón-protón reacción.
triple alfa proceso (helio de la quema) En mucho mayor temperatura, es posible ver $$ ^4\mathrm{He} + ^4\mathrm{He} \to ^8\mathrm{Be} - 95\,\mathrm{keV} $$ y $$ ^8\mathrm{Be} + ^4\mathrm{He} \to ^{12}\mathrm{C} + 7.4\,\mathrm{MeV} $$ para que se produzca. Sin embargo, el núcleo de Berilio-8 es inestable con un vida media muy corta, por lo que esto requiere no sólo de alta temperatura pero también de Helio de alta concentración de proceder a cualquier velocidad.
La evolución de una pequeña estrella fría
Una estrella como el sol empieza su vida poco a poco de la quema de hidrógeno por el protón-protón ciclo en el centro de un no-convectivo núcleo. Durante considerables períodos de tiempo en que el núcleo se convierte en cada vez más enriquecido en helio y de agotamiento de hidrógeno.
Si la estrella era un objeto estático que esto causaría que la tasa de fusión a la caída y la estrella se enfríe, pero en su lugar al interior de las capas de la estrella contrato ligeramente creciente núcleo de densidades y temperaturas lo que resulta en un lento incremento de la potencia neta de salida. Como un lado efecto de las capas exteriores se expanden ligeramente, de modo que el conjunto de la estrella crece marginalmente.
Esto representa el comportamiento del sol, hasta ahora y otro par de millones de años.
A medida que el núcleo se calienta, el protón ciclo puede continuar un poco más de radios que antes, por lo que este proceso se construye una cada vez más grande, hidrógeno-agotado, bañera de núcleo denso. Debido a que más de la fusión es que ocurren en el límite de ese núcleo que en el interior del núcleo es casi isotérmica. Este proceso continúa hasta que el núcleo es casi puro helio y todos combustión del hidrógeno se produce en una cáscara alrededor de la totalmente isotérmico, el helio del núcleo.
Dos cosas están sucediendo en este momento, primero la combustión del hidrógeno se extiende hacia el exterior a las regiones que no han visto ninguna la quema de hablar y, por lo tanto, en el inicial el hidrógeno fracción, y en segundo lugar, el volumen sobre el cual esta quema se está produciendo es cada vez mayor. El resultado es, a través de una justa corto período de tiempo un gran aumento en la potencia total de la estrella.
A medida que el calor migra hacia el exterior todos los recubre el plasma se expande y gran parte de ella puede ser tratada aproximadamente con la ley del gas ideal, por lo que el la expansión es considerable. Por supuesto, la temperatura de la la superficie es una función tanto de la potencia total y el radio de la estrella como $$ P \propto R^2 T^4 \,. $$
El resultado es un enorme aumento de la radio, pero la nevera la temperatura, es decir, una gigante roja.
Eric Cloninger
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Hay dos preguntas aquí. La segunda,
Lo que hace que esta si la temperatura que se espera para el otoño? Cómo el gas puede ampliar si la temperatura cae?
es decir, de la OMI, contestó dmckee la respuesta. (Probablemente, usted debe también leer sólo para algunos antecedentes sobre el siguiente bit.) La primera pregunta,
¿Qué causa las dimensiones de una estrella aumento cuando su combustible de hidrógeno se agota?
es diferente y, en realidad, la respuesta es claramente no se conoce. Tenemos algunas buenas ideas, pero no hay consenso. Realmente no tenemos poder predictivo para ver una estrella y saber si va a convertirse en un gigante o no, excepto que ahora hemos ejecutar muchos de los modelos que hemos visto lo que sucede y se puede decir con una visión retrospectiva. Lo que es un poco más útil es que si una estrella es una gigante, por lo general, podemos identificar la región que provoca la expansión. (Esto es gracias a un resultado por Eggleton Y el Cañón (1991).) Pero a veces usted puede encontrar una región donde las cosas semejantes son verdaderas, pero la estrella no es un gigante. Dado que la básica, la moderna imagen estelar de la estructura y la evolución ha sido bastante conocido desde el siglo de mid-20th, esto puede venir como una sorpresa, así que voy a intentar explicar. Pregunte si usted no está satisfecho, sin embargo: es un problema difícil!
Hay dos características principales que distinguen a una estrella de la secuencia principal (como el Sol) a partir de una gigante roja, y ambas están relacionadas con la separación de un ser distinto, inactivo núcleo de helio, y un extenso sobre. Están separadas por una capa en la que las reacciones nucleares (específicamente, la combustión del hidrógeno) están teniendo lugar. Así que entre el núcleo y la envoltura es (a) una pequeña región en la que casi toda la luminosidad se genera (y el gradiente de temperatura es por lo tanto casi isotérmica), y (b) una pendiente pronunciada en el peso molecular medio. es decir, la masa promedio por partícula libre*. Cuando calculamos los modelos estelares, nos encontramos con que, si la estrella se convierte en un gigante, no debe ser una región en donde al menos una de ellas es verdadera (o algo similar efecto estructural que está sucediendo).
La tentación es decir, entonces, que estos están claramente la causa. Pero! Hay tres tipos de estrellas que causan los problemas. En primer lugar, hay estrellas se formaron en las fusiones que tienen tres capas de apariencia, ya que el núcleo de una de las estrellas se unta todo el núcleo de la otra. A veces, estas estrellas tienen todo el derecho de las características de un gigante (peso molecular medio de la pendiente, el fuerte de shell de la quema), pero no se convierten en gigantes. En segundo lugar, tenemos estrellas que pierden sus sobres, ya sea porque tienen fuertes vientos que la unidad fuera de ellas, o que interactúan binario con un compañero. A veces, estas estrellas tienen casi ningún envolvente izquierdo, pero aún así logran llegar a ser gigantes, al menos en los modelos. Tercero, podemos construir exóticos, poco realistas de modelos (como puro helio estrellas) que también muestran las "causas" de la gianthood, pero en realidad no se expanda. Para una pregunta como esta, estos todavía son útiles, porque la causa está en algún lugar en las ecuaciones, por lo que mientras usted está usando las mismas ecuaciones, entonces la salida es decirle a usted acerca de la respuesta.
Por lo tanto, queremos decir shell-la quema de + peso molecular medio salto = gigante, pero eso simplemente no es cierto. Debe ser el camino correcto, pero el contraejemplos barro el agua. Y por último, sólo para estropear las cosas, hay otro problema. ¿Qué pasa si una estrella comienza a convertirse en un gigante, pero el proceso se interrumpe? Entonces tenemos que distinguir dos efectos: por qué la estrella comenzó a convertirse en un gigante, y por qué el proceso de parada. (Y ¿cómo podemos decidir si es "iniciado"?)
Para más detalles, voy descaradamente plug las Secciones 6.1 y 7.2 de mi tesis de Doctorado y las referencias allí contenidas. Hice algunas investigaciones en un resultado teórico que parece estar relacionada, por lo que tuve que resumir el trabajo anterior sobre el problema.
*Comprender el peso molecular medio, considere primero de hidrógeno ionizado. Hay dos partículas: los protones y los electrones. Su masa total es de $m_p+m_e$, por lo que el peso molecular medio es de $(m_p+m_e)/2$. Ahora, considere la posibilidad de helio ionizado. Hay tres partículas: el núcleo de helio y dos electrones libres. Su masa total es de aproximadamente el $4m_p+2m_e$ por lo que el peso molecular medio es de $(4m_p+2m_e)/3$. Así que de puro hidrógeno ionizado a puro helio ionizado, hay un factor de alrededor de $8/3$ cambio.
