Wie kann ein roter Riese so groß werden?

Wenn die Sonne zu einem roten Riesen wird, wird sie angeblich groß genug, um die Erde zu verschlucken.

Dies erfordert jedoch, dass sich der Radius der Sonne um einen Faktor von ungefähr 215 × ausdehnt, was bedeutet, dass sich ihr Volumen um 10.000.000 × ausdehnen müsste.

Vielleicht bin ich es nur, aber etwas daran fühlt sich nicht intuitiv an :-) vor allem, wenn man bedenkt, dass die Sonne nicht viel an Masse gewinnt. Was genau bedeutet das Schmelzen von Elementen, die schwerer als Wasserstoff sind, dass die Reaktanten und / oder Produkte 10.000.000 × so viel Volumen einnehmen? Niemand erklärt dies jemals, wenn er die Lebensdauer der Sterne erklärt, und ich verstehe nicht, warum dies der Fall sein sollte. (Tatsächlich hätte ich erwartet, dass die Fusion zu einer Volumenverringerung führt, da sich die Kerne verbinden ...)

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Es scheint, dass es zwei Arten von roten Riesen gibt, von denen einige während der Wasserstofffusion auftreten, andere Helium.
Wenn die Antwort für diese beiden Typen unterschiedlich ist, würde ich zumindest gerne die Antwort für den Heliumtyp wissen (obwohl ich natürlich eine schätzen würde, die weiter geht und beide anspricht).

In meinen Augen deckt keine dieser Erklärungen wirklich den tatsächlichen Grund ab, warum sich rote Riesen ausdehnen. In der Tat scheint dieses Thema ein Bereich zu sein, in dem Menschen einfach alles erfinden, was plausibel klingt, aber es ist oft völlig falsch (Fraser Cain erwähnt sowohl leichten Druck als auch ein höheres Volumen in der Schmelzschale, aber leichter Druck spielt überhaupt keine Rolle, und das Das Volumen der Schale unterscheidet sich nicht wesentlich vom Kern, der viel kleiner ist als der Kern der Sonne. Lassen Sie uns die Geschichte klarstellen.

Viele der Beschreibungen enthalten einige der Schlüsselelemente, einschließlich der Tatsache, dass auf einem inerten entarteten Heliumkern eine Hülle aus Wasserstofffusion stattfindet. Der Hauptgrund für die Expansion ist jedoch, dass die Art und Weise, wie diese Hülle ihre Fusionsrate selbst reguliert, sich erheblich von der Art und Weise unterscheidet, wie der Kern der Sonne ihre Fusion jetzt selbst reguliert.

Jetzt reguliert der Sonnenkern seine Fusionsrate selbst, um der Rate zu entsprechen, mit der Energie (in Form von Licht) durch die Masse der Sonne diffundiert. Die Art und Weise, wie dies geschieht, ist bei allen Hauptreihensternen im Wesentlichen gleich: Sie regulieren ihre Kerntemperatur, weshalb die Kerntemperatur von leuchtenderen Hauptreihensternen etwas höher ist. Dies ist jedoch keineswegs die Art und Weise, wie die in einem roten Riesen verschmelzende Hülle ihre Fusionsrate selbst reguliert - sie kann ihre Temperatur nicht regulieren, da die Temperatur durch die Schwerkraft des entarteten Kerns, auf dem sie sitzt, an sie weitergegeben wird. (Dies legt die Temperatur über den Virialsatz fest, das ist der Schlüssel, wie der entartete Kern die Schale beeinflusst - er legt seine Temperatur fest.) Da die Schale ihre eigene Temperatur nicht reguliert, ist die Temperatur tendenziell ziemlich hoch. besonders wenn der Kern an Masse gewinnt (deshalb steigt die Leuchtkraft mit der Zeit). Die Fusion ist sehr temperaturempfindlich. Wenn Sie also bei einer sehr hohen Temperatur stecken bleiben, steigt die FusionsrateBerserker . Der Rest des Sterns kann diese spektakuläre Fusionsrate nicht unterstützen, also passiert etwas anderes.

Der Stern bläst auf und dabei finden wir heraus, wie die Schale ihre eigene Fusionsrate reguliert: Sie hebt das Gewicht von der Schale . Dies reduziert den Druck in der Schale, wodurch die hohe Temperatur ausgeglichen wird und die Fusionsrate auf das gesenkt wird, was der Rest des Sterns bewältigen kann (was durch die Geschwindigkeit festgelegt wird, mit der Licht durch die Schale diffundieren kann). Es gibt also den wahren Grund: Der Stern muss einen Weg finden, das Gewicht von seiner verrückten Hochtemperaturhülle zu heben, um zu verhindern, dass die Fusionsrate verrückt wird, aber das Ergebnis ist, dass die Fusionsrate immer noch ziemlich hoch ist und höher wird als Die Masse des Kerns steigt an, wodurch die Schalentemperatur immer weiter ansteigt und der Stern noch mehr aufbläht.

Hier gibt es eine schöne Beschreibung . Denken Sie daran, dass ein Stern aus Gas besteht (also Plasma, wenn Sie wählerisch sein möchten), sodass er kein festes Volumen hat. Sobald die Fusion beginnt, dehnt sich ein Stern aus, bis er eine Größe erreicht, in der er die durch die Fusion erzeugte Energiemenge mit der von der Oberfläche abgestrahlten Menge ausgleichen kann. Wenn es zu klein ist, erwärmt es sich und verursacht eine Ausdehnung, die (abhängig davon, welche Teile des Sterns sich ausdehnen) die erzeugte Energie verringert und die abgestrahlte Menge erhöht. Um dies genauer zu verstehen, muss verfolgt werden, wie sich Temperatur und Dichte mit der Tiefe des Sterns ändern.

In einem roten Riesen wird die Energie nicht im Kern erzeugt, sondern in einer Kugelschale, die den Kern umgibt (weil dem Kern mehr oder weniger der Brennstoff ausgeht). Dies ist tatsächlich ein größeres Volumen, sodass mehr Energie erzeugt wird. Der Stern dehnt sich aus, bis er all diese Energie ausstrahlen kann.

Ich fand eine Beschreibung mit nur mäßigen Mengen an MathematikBesonders um Seite 132. Eine Sache ist also, dass Sie einen Heliumkern haben, dessen Wasserstofffusion direkt außerhalb stattfindet. Das bedeutet, dass sich "über" der Schmelzschicht weniger Masse befindet, so dass die Verschmelzung tatsächlich bei niedrigeren Drücken stattfindet als im Kern. Dies erfordert höhere Temperaturen in dieser Schicht und, wenn Sie die Gleichungen durchführen, eine viel höhere Gesamtenergieabgabe. Dieser Energiefluss, sei es durch Strahlung oder Konvektion, erreicht die äußeren Schichten des Sterns und erwärmt sie zunächst, wodurch sie sich ausdehnen (da die Schwerkraft der Sterne mehr oder weniger unverändert ist und sie daher nicht stärker nach unten ziehen kann). Beim Ausdehnen kühlen sie ab, was bedeutet, dass sie die Strahlung mehr einfangen (kälteres Gas ist weniger transparent) und weniger wegstrahlen, und sie werden wieder erhitzt und dehnen sich wieder aus. Dies wird fortgesetzt, bis ein Gleichgewichtspunkt gefunden wurde (oder nicht). für Sterne, die viel größer als die Sonne sind und auf diese Weise einen Großteil ihrer Masse abblasen können) und wenn Sie die Zahlen eingeben, stellt sich heraus, dass für dieses Gleichgewicht ein sehr großer Stern erforderlich ist. Vielleicht ist eine Art, daran zu denken, dass ein Stern, der viel weniger massereich ist als die Sonne, nur langsam ausgeht. Ein Stern, der viel massereicher ist als das U-Boot, explodiert. Die Sonne befindet sich zwischen den beiden, so dass sie "fast explodiert", aber aufhört, wenn ihre äußeren Schichten sehr groß geworden sind.

Eine weitere Bemerkung ist, dass die Dichte in den oberen Teilen eines roten Riesen ziemlich gering ist - nach unseren Maßstäben ist es ein anständiges Vakuum, das mit glühendem Gas kontaminiert ist. Da der Stern jedoch so groß ist, ist er immer noch undurchsichtig, sodass wir ihn als Teil des Sterns betrachten.

Die Größe des Sterns im Gleichgewicht ist ein Kräftegleichgewicht, der Druck, der durch das heiße Plasma erzeugt wird, das durch die Kernreaktionen im Kern erwärmt wird und durch die Schwerkraft ausgeglichen wird.

Die Fusionsraten werden stark von der Temperatur beeinflusst. Erhöhen Sie die Temperatur ein wenig und Sie bekommen viel mehr Energie heraus. Wenn dem Kern der Wasserstoff ausgeht, beginnt er zu kollabieren und sich zu erwärmen und bildet einen inerten entarteten Heliumkern, der von einer Hülle aus schnell brennendem Wasserstoff umgeben ist. Bei diesem neuen Gleichgewicht wird viel mehr Energie freigesetzt. Dieses positive Feedback bedeutet, dass eine scheinbar kleine Änderung (Verbrennung von Kern zu Schale) einen massiven Einfluss auf die Energieabgabe des Sterns hat.

Wenn sich jetzt ein Stern entwickelt, gibt er viel mehr Energie pro Sekunde ab. Aldebaran produziert 500 Mal mehr Energie pro Sekunde als die Sonne, obwohl es nur wenig größer ist.

Dies führt zwar zu einer Vergrößerung des Sterns, aber wenn der Stern größer wird, sind die äußeren Schichten weiter vom Schwerpunkt entfernt, und daher wird die auf sie wirkende Schwerkraft gemäß dem Gesetz des umgekehrten Quadrats verringert. Mit weniger Schwerkraft wird das Wachstum der Größe verstärkt. Eine starke Leistungssteigerung wird also zu einer massiven Vergrößerung. Aus diesem Grund ist das Größenwachstum so viel größer, als es eine einfache Vorstellung von der Expansion von heißem Gas vorhersagen würde.

In den letzten Stadien der Entwicklung eines Sterns wächst die Größe des Sterns unbegrenzt, da die Schwerkraft des Sterns nicht ausreicht, um seine äußeren Schichten an den Stern gebunden zu halten, und er wird zu einem planetarischen Nebel.

Die intuitive Art, darüber nachzudenken, besteht darin, zu verstehen, dass es mehrere Änderungen gibt, die sich im Wesentlichen gegenseitig verstärken. Eine Verstärkung in der Astronomie ist keine Seltenheit. Es erklärt, warum die Schwerkraft massive Objekte so klein machen kann, denn wenn das massive Objekt kleiner wird, wächst die Gravitation und das Gewicht des Objekts exponentiell. In gewisser Weise passiert das Gegenteil mit einem roten Riesen. Die Schwerkraft an der Oberfläche wächst so niedrig, dass der Stern in eine weggelaufene Expansion eintritt.

Die Expansion des Sterns spät in seinem Leben ist exponentiell. Deshalb kann es so viel expandieren.

Wenn die Sonne doppelt so groß sein sollte, aber ihre Masse unverändert bleiben sollte. In dieser Hypothese wird die Oberflächengravitation der neuen Sonne durch 4 geteilt. Ihre Fluchtgeschwindigkeit wird durch die Quadratwurzel von 2 geteilt, sodass die äußere Schicht viel weniger Gewicht hat, aber die Fluchtgeschwindigkeit sie immer noch an den Stern bindet. Wenn alles gleich ist und die Sonne expandiert, sollte sie abkühlen. Wenn jedoch die Temperatur durch 2 geteilt wird, wird die Geschwindigkeit der Wasserstoff- und Heliummoleküle durch die Quadratwurzel von 2 geteilt.

In dieser Theorie bewegen sich die Wasserstoffatome an der Oberfläche etwas langsamer, aber mit 1/4 der Schwerkraft sind sie freier und können sich aufgrund ihrer thermischen Geschwindigkeit weiter vom Stern entfernen.

Wenn wir die Sonne weiter ausdehnen, kommt ein Punkt, an dem der äußere Wasserstoff unglaublich locker gebunden wird. Bei einer Größe des Roten Riesen, beispielsweise 1 AE im Radius oder 215 aktuellen Sonnenradien, ist die Schwerkraft etwa 46.000-mal niedriger und der Wasserstoff an der Oberfläche erfährt nur eine Gravitationsbeschleunigung von 0,006 m / s ^ 2, aber dieselben Wasserstoffmoleküle am Roten Riesen Temperatur (ca. 3.000 Grad K) bewegen sich ca. 5,5 km / s. Sie können allein aufgrund ihrer Wärmeenergie über eine Million Kilometer von der Oberfläche wegfliegen, verglichen mit derzeit etwa 100 km an der Sonnenoberfläche (basierend auf knapp 8 km / s).

In beiden Fällen befindet sich die äußere Schicht aus Wasserstoff und Helium im Gleichgewicht. Es ist nur so, dass die Schwerkraft und die Größe des roten Riesen so viel geringer sind, dass beim roten Riesen das Gleichgewicht dieses sehr locker gebundene, sehr auszahlbare heiße Gas ist. Aber das ist nur ein Teil des Grundes.

Überlegen Sie, was sonst noch passiert, wenn die Sonne älter wird.

Quelle .

Der Kern, in dem die Fusion stattfindet, ist ein vergleichsweise kleiner Bereich in der Mitte. Um den Kern ist die Strahlungszone und die leitende Zone gewickelt. die helfen, die Wärme vor der Fusion zu bewahren, die in der Sonne eingeschlossen ist. Infolgedessen wird das Innere der Sonne mit der Zeit heißer, und wenn es heißer wird, wird der Kern größer und umfasst immer mehr die Strahlungszone.

Wenn wir uns die Strahlungszone als eine Art Decke vorstellen, die Wärme in der Sonne einfängt, wenn der Kern größer und massiver wird, wird die Strahlungszone sowohl gedehnt als auch verliert Masse an den Kern, so dass sie auf zwei Arten dünner wird. Wenn die Größe des Kerns verdoppelt wird, müssen die Photonen vom Kern durch 1/4 so viele Moleküle wandern. Da die Sonne alt genug wird und der größte Teil der Verschmelzung am äußeren Rand des Kerns stattfindet, gibt es deutlich weniger Decken, um die Wärme gefangen zu halten. Es wird nicht so viel mehr Energie erzeugt, sondern diese Energie hat eine einfacher Weg zum äußeren Bereich der Sonne. Sie haben also einen Verstärkungseffekt, wenn die Sonne größer wird, die Schwerkraft der Oberfläche um das Quadrat des Radius abfällt und die innere Wärme weniger Material durchlässt, um die äußeren Schichten zu erreichen.

Der interne Kernkollaps kann ebenfalls eine Rolle spielen. Selbst wenn dem inneren Kern der Wasserstoff zur Verschmelzung ausgeht und er zu kollabieren beginnt, erzeugt der Kollaps erhebliche Wärme.

Ich bin mir nicht sicher, ob das klar ist, aber das ist mein Versuch zu erklären, was intuitiv passiert.