ทำไมดาวกลายเป็นยักษ์ใหญ่สีแดง

ข้อจำกัดความรับผิดชอบ:ฉันไม่ใช่นักดาราศาสตร์อาชีพ ฉันไม่ได้เป็นเจ้าของกล้องดูดาว ฉันไม่มีข้อมูลรับรองมืออาชีพ แต่ฉันพบว่าสิ่งนี้น่าหลงใหลและฉันก็บริโภคสารคดีทางดาราศาสตร์ทั้งหมดที่ฉันสามารถทำได้

ดังนั้นฉันได้ดูสารคดีมากมายที่อธิบายวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ ฉันเข้าใจว่าต่ำกว่าขีด จำกัด การตายของดาวฤกษ์ไม่เกี่ยวข้องกับซุปเปอร์โนวา ฉันเข้าใจว่าเหนือขีด จำกัด นั้นซุปเปอร์โนวาอาจสร้างดาวนิวตรอนแมกนีการ์หรือ (ถ้าซุปเปอร์โนวามีคุณสมบัติเป็นหลุมดำไฮเปอร์โนวา)

อย่างไรก็ตามเป็นเวลานานฉันอยากรู้ว่าทำไมดาวต่ำกว่าเกณฑ์ซูเปอร์โนวา - เช่นดวงอาทิตย์ของเราเอง - กลายเป็นยักษ์แดง

จากสารคดีฉันได้รับคำสั่งว่า (สำหรับดาวต่ำกว่าเกณฑ์ซูเปอร์โนวา) เมื่อฟิวชั่นแกนกลางของดาวไม่สามารถดำเนินการต่อได้ ... ฟิวชั่นสิ้นสุดลงและดาวก็เริ่มยุบลงภายใต้แรงโน้มถ่วง

เมื่อแรงโน้มถ่วงทำลายดาวฤกษ์ฉันเข้าใจว่าดาวนั้นร้อนขึ้นเมื่อแรงโน้มถ่วงสลายดาว แม้ว่าแกนกลางดาวฤกษ์จะยังคง“ ตาย” (ไม่มีฟิวชั่น) แต่“ เปลือก” ของก๊าซรอบแกนกลางดาวฤกษ์จะร้อนพอที่จะเริ่มหลอมรวมฮีเลียม เนื่องจากฟิวชั่นเกิดขึ้นเป็น“ เปลือกหอย” รอบแกนกลางดาวฤกษ์การผลักออกจากฟิวชั่นออกไปคือสิ่งที่ผลักชั้นนอกของดาวออกไปอีก ผลก็คือดาวฤกษ์จะกลายเป็นดาวยักษ์แดง

คำถามของฉันคือ: ทำไมฟิวชั่นจึงหยุดอยู่ในแกนกลาง! สำหรับฉันแล้วดูเหมือนว่าเมื่อแรงโน้มถ่วงทำให้ดาวแตกตัวฟิวชั่นดาวฤกษ์น่าจะครอบงำอยู่ในแกนกลางตัวเอง - ไม่ได้อยู่ในทรงกลมรอบแกนกลาง ทำไมแกนของดาวฤกษ์ยังคง“ ตาย” ในขณะที่“ เปลือก” ของมันเริ่มหลอมรวม ???

(นี่ค่อนข้างง่าย แต่ฉันหวังว่ามันจะทำให้เกิดความคิด)

ปฏิกิริยาจะหยุดในแกนเพราะมันหมดเชื้อเพลิง ระหว่างการเรียงลำดับหลักดาวได้รับการสนับสนุนโดยการรวมไฮโดรเจนเข้าสู่ฮีเลียม ในที่สุดไฮโดรเจนหมดที่ศูนย์ดังนั้นการหลอมไฮโดรเจนจึงไม่สามารถทำได้อีกต่อไป

ทำไมมันไม่เริ่มรวมฮีเลียมเข้าไปในคาร์บอนทันที นั่นเป็นเพราะแกนกลางยังไม่ร้อนหรือหนาแน่นพอ ปฏิกิริยาที่แตกต่างกันนั้นขึ้นอยู่กับสถานะของเรโซแนนท์ที่แตกต่างกันในนิวเคลียสและในกรณีของฮีเลียมสถานะดังกล่าวจะไม่สามารถเข้าถึงได้บ่อยพอจนอุณหภูมิแกนกลางอยู่ที่ประมาณเคลวิน$10^8$

เพื่อให้ได้ความร้อนนั้นแกนกลางจะต้องหดตัวและทำให้ร้อนขึ้น ในที่สุดมันก็ทำ (ถ้าดาวฤกษ์มีมวลมากพอ) แต่มันก็ไม่ได้เกิดขึ้นทันที จำไว้ว่าก๊าซยังคงร้อนและที่ความดันสูง

ในขณะเดียวกันที่ขอบแกนกลางดาวฤกษ์ (ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการหดตัวดังกล่าว) ก็ร้อนพอที่จะเปลี่ยนไฮโดรเจนให้เป็นฮีเลียมดังนั้นมันจึงทำเช่นนั้น นี่เป็นเปลือกเผาไหม้นิวเคลียร์ที่แยกโครงสร้างภายในของยักษ์แดงออกมาอย่างชัดเจน

ดังนั้นอาจคิดแบบนี้ ลองนึกภาพดวงดาวที่ท้ายลำดับหลัก ที่ร้อนพอที่จะรวมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมอยู่ที่ไหน ทุกที่จนถึงสุดขอบ! มันหลอมละลายในแกนกลางหรือไม่? ไม่เพราะน้ำมันหมด แล้วมันจะหลอมรวมกันที่ไหน ที่ขอบของแกนซึ่งเรารับรู้ว่าเป็นเปลือก

ชะตากรรมของดาวนั้นขึ้นอยู่กับมวลของมัน ความหลากหลายของกิจกรรมขึ้นอยู่กับมวลของมัน หากแกนกลางของดาวมีมวลที่ต่ำกว่าขีด จำกัด Chandraseckhar ( ) ก็จะถูกกำหนดให้ตายเป็นดาวแคระขาว (หรือที่จริงแล้วเป็นดาวแคระดำในตอนท้าย) องค์ประกอบของดาวแคระขาวนอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับมวลเดิมของดาว มวลต่างกันจะนำไปสู่การแต่งเพลงที่แตกต่างกัน ยิ่งมีมวลมากเท่าไรก็ยิ่งเป็นดาวได้ยิ่งองค์ประกอบที่ประกอบขึ้นเป็นวัตถุสุดท้าย นี่เป็นเพราะว่ามวลมากกว่าหมายถึงพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่มากขึ้น$M\sim1.4M_{sun}$

$dU = - \frac{GM(r)dm}{r}$

สามารถเปลี่ยนเป็นความร้อนได้

ไฮโดรเจนนิวเคลียร์ฟิวชันเริ่มต้นสำหรับปฏิกิริยาโปรตอนโปรตอน (นั่นคือกระบวนการที่โดดเด่นสำหรับคล้ายดวงอาทิตย์ดาว) ที่ประมาณK นี่คือค่าที่ช่วยให้อนุภาคเอาชนะสิ่งกีดขวาง coulombian ของพวกเขา (เช่นเพื่อหลอมรวม ) หลังจากการรวมไฮโดรเจนเมื่อฮีเลียมส่วนใหญ่ประกอบด้วยแกนแน่นอนว่าการหลอมไฮโดรเจนนั้นไม่สามารถเกิดขึ้นได้อีกต่อไป แกนกลางเริ่มยุบตัวและทำให้ร้อนขึ้น สำหรับดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์มีมวลพอที่จะบีบอัดจนถึงระดับที่ทำให้แกนโลกร้อนพอที่จะเริ่มการเผาไหม้ของพระองค์ แต่นั่นคือทั้งหมดที่ เมื่อฮีเลียมถูกเปลี่ยนเป็นคาร์บอนดาวฤกษ์มีมวลไม่เพียงพอที่จะบีบอัดอีกครั้งจนถึงระดับที่เริ่มปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นอีกครั้ง นี่คือเหตุผลที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์หยุดลง$10^7 K$. สำหรับคำถามการเผาเปลือกหอยมันเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องเข้าใจสองสิ่ง:โครงสร้างเปลือกของดาวเป็นเพียงการประมาณและมีการไล่ระดับอุณหภูมิภายในดาวคล้ายดวงอาทิตย์ซึ่งหมายความว่า (นอกเหนือจาก โคโรนา) อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเมื่อคุณไปจากด้านนอกไปยังแกนกลาง ตอนนี้ถ้าแกนถูกบีบอัดและกลายเป็นฮีเลียมในการเผาไหม้ฮีเลียมเปลือก "นอก" หลัก (ที่อยู่ในสคีเหมือนหัวหอมอยู่ภายในรัศมีของแกนการเผาไหม้ไฮโดรเจนก่อนหน้า) ยังคงร้อนพอที่จะเผาไหม้ไฮโดรเจน ขนาดของแกนฮีเลียมเผาไหม้มีขนาดเล็กกว่าแกนไฮโดรเจนเผาไหม้ (นี่คือการบีบอัดโดยความหมาย$(1)$$(2)$) เปลือกยังมีไฮโดรเจนเพียงพอและความร่วมสมัยอยู่ลึกพอในดาวฤกษ์ (นั่นหมายถึงอุณหภูมิสูง) เพื่อให้เกิดการหลอมรวมของไฮโดรเจน ถ้าดาวฤกษ์มีมวลมากขึ้นสิ่งต่าง ๆ อาจเกิดขึ้นได้เช่นองค์ประกอบที่หนักกว่าฟิวชั่นแกนกลางและเปลือกหอยที่เผาไหม้มากขึ้นเรื่อย ๆ

ลองดูที่เหล่านี้: Ref 1 , Ref 2

อ้างอิง 3สำหรับตัวเลขบางตัวเช่นกัน

เพื่อความเข้าใจขั้นพื้นฐานเพิ่มเติมจะช่วยให้ตระหนักถึงความยากลำบากในการหลอมรวม He-4 เข้ากับ C-12 สิ่งนี้เรียกว่ากระบวนการ Triple-Alpha

เมื่อนิวเคลียส He-4 สองตัว (อนุภาคอัลฟา) มีพลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะสิ่งกีดขวางคูลอมบ์และให้ส่วนตัดขวางเรียงกันมันจะสร้าง Be-8 นิวเคลียส Be-8 นั้นไม่เสถียร (เนื่องจากเป็นพลังงานที่ดีสำหรับนิวเคลียสของวัตถุที่ถูกจัดเรียงในสองอนุภาคอัลฟา) ว่ามันมีครึ่งชีวิตประมาณ 10 ^ -17 วินาทีซึ่งสั้นอย่างน่าอัศจรรย์ ดังนั้นในการผลิต C-12 อนุภาคอัลฟ่าสามตัวจึงต้องมารวมตัวกันอย่างฉับพลันโดยที่สองผลิต Be-8 และในช่วงครึ่งชีวิตนั้น

ใช้เวลาสักครู่เพื่อพิจารณาว่าสภาพของแกนกลางนั้นรุนแรงเพียงใดเพื่อที่จะให้ความน่าจะเป็นของอนุภาคอัลฟาสามตัวมารวมกันและประสบความสำเร็จในการโต้ตอบอย่างฉับพลันและเกิดขึ้นได้ในเวลาที่เพียงพอ . ฟิวชั่นฮีเลียมใช้เวลาประมาณ 100 ล้านเคเริ่มต้นเมื่อเทียบกับแกนกลางของดวงอาทิตย์ 15 ล้านเคลวิน (อยู่ระหว่างห่วงโซ่โปรตอน - โปรตอนประมาณ 99% ของปฏิกิริยา) ในเวลานี้ อุณหภูมินี้ให้ทั้งความดันที่น่าเหลือเชื่อของแกนกลางที่เสื่อมโทรมและพลังงานเพิ่มเติมจากเปลือก

ฟิวชั่นเชลล์เริ่มต้นก่อนกระบวนการอัลฟาสามตัวเพราะเมื่อแกนกลางหดตัวและเสื่อมสภาพพลังงานที่แผ่ออกมาจากแกนกลางนั้นจะร้อนรอบ ๆ เลเยอร์โดยรอบทันทีจนถึงจุดที่สามารถหลอม H-to-He ได้ ในความเป็นจริงมันร้อนมากจนฟิวชั่นเชลล์เป็นไปตามวัฏจักร CNO

ชั้นนอกของดาวฤกษ์ขยายตัวอย่างรวดเร็วเนื่องจากมีพลังงานจำนวนมหาศาลที่แผ่ออกจากเปลือกนี้ซึ่งหลอมรวมที่อุณหภูมิร้อนกว่าแกนกลางมากในปัจจุบัน

ฉันคิดว่าคุณเป็นเหมือนฉันและต้องการคำตอบเพิ่มเติมจากคนธรรมดา หากคุณต้องการคำอธิบายที่ดีและง่ายต่อการเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นดูที่ "การก่อตัวและวิวัฒนาการของระบบสุริยะ" ใน Wikipedia จากนั้นคลิกที่ 5.3 (ดวงอาทิตย์และสภาพแวดล้อมของดาวเคราะห์) ดวงอาทิตย์จะขยายตัวสองเท่า: เมื่อแกนกลางร้อนจากการหลอมไฮโดรเจนแบบเร่ง (เมื่อแกนกลางของดวงอาทิตย์ร้อนขึ้นไฮโดรเจนจะไหม้เร็วขึ้น) ไฮโดรเจนในเปลือกรอบแกนกลางเริ่มหลอมรวม (ไฮโดรเจนฟิวชั่นในเปลือกนี้คือ สิ่งที่ผลักเลเยอร์ชั้นนอกออกไปประมาณ 1AU) หลังจากนั้นมานานประมาณ 2 พันล้านปี แกนกลางมีความหนาแน่นสูงถึงอุณหภูมิวิกฤต (เนื่องจากฮีเลียมมีปริมาณเพิ่มขึ้น) ฮีเลียมจึงเริ่มหลอมรวมเป็นคาร์บอน ณ จุดนี้มีฮีเลียม "แฟลช" และดวงอาทิตย์ก็หดกลับลงเป็น 11 เท่าของขนาดดั้งเดิม ฮีเลียมในแกนหลอมรวมเป็นคาร์บอนประมาณ 100 ล้านปีจนกระทั่งเกิดเหตุการณ์แบบเดียวกัน (ยกเว้นเวลานี้ไฮโดรเจนและฮีเลียมในเปลือกรอบแกนกลางเริ่มหลอมรวมทำให้ชั้นนอกขยายตัวอีกครั้งหลังจากฮีเลียมเริ่มได้รับการใช้งาน ขึ้น (หรือ "มลพิษ" ด้วยคาร์บอนเพียงพอที่จะหยุดกระบวนการฟิวชั่น) และมีมวลไม่เพียงพอที่จะเริ่มการหลอมคาร์บอนที่เนบิวลาดาวเคราะห์พุ่งออกมาและดาวก็เริ่ม "ตาย"

ผมขอแนะนำให้คุณอ่านนี้บทความเกี่ยวกับhttp://www.space.com/

ข้อความจากมัน:

ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ในเอกภพเป็นดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักซึ่งจะเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมผ่านการหลอมนิวเคลียร์ ดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักอาจมีมวลระหว่างหนึ่งในสามถึงแปดเท่าของดวงอาทิตย์และในที่สุดก็เผาผลาญไฮโดรเจนในแกนกลางของมัน ตลอดชีวิตความกดดันภายนอกของฟิวชั่นมีความสมดุลกับแรงกดดันภายในของแรงโน้มถ่วง เมื่อฟิวชั่นหยุดลงแรงโน้มถ่วงจะเป็นผู้นำและบีบอัดดาวให้เล็กลงและแน่นขึ้น

อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเมื่อหดตัวจนในที่สุดก็ถึงระดับที่ฮีเลียมสามารถหลอมรวมเป็นคาร์บอนได้ การเผาฮีเลียมอาจค่อยเป็นค่อยไปหรืออาจเริ่มต้นด้วยการระเบิดแฟลชทั้งนี้ขึ้นอยู่กับมวลของดาวฤกษ์ พลังงานที่ผลิตโดยฮีเลียมฟิวชั่นทำให้ดาวฤกษ์ขยายออกไปสู่ขนาดเท่าเดิม

แก้ไข: Wikipedia ให้ข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติม:

เมื่อดาวฤกษ์หมดเชื้อเพลิงไฮโดรเจนในแกนกลางปฏิกิริยานิวเคลียร์จะไม่สามารถดำเนินต่อไปได้อีกดังนั้นแกนเริ่มหดตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของมันเอง สิ่งนี้ทำให้ไฮโดรเจนเพิ่มเติมเข้าสู่โซนที่อุณหภูมิและแรงดันเพียงพอที่จะทำให้เกิดการหลอมรวมในเปลือกรอบแกนกลาง อุณหภูมิที่สูงขึ้นนำไปสู่อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นเพียงพอที่จะเพิ่มความส่องสว่างของดาวฤกษ์ได้ด้วยปัจจัย 1,000-10,000 ชั้นนอกของดาวฤกษ์จะขยายตัวอย่างมากดังนั้นจึงเป็นการเริ่มต้นช่วงชีวิตของดาวยักษ์แดง

คำถามของฉันคือ: ทำไมฟิวชั่นจึงหยุดอยู่ในแกนกลาง! สำหรับฉันแล้วดูเหมือนว่าเมื่อแรงโน้มถ่วงทำให้ดาวแตกตัวฟิวชั่นดาวฤกษ์น่าจะครอบงำอยู่ในแกนกลางตัวเอง - ไม่ได้อยู่ในทรงกลมรอบแกนกลาง ทำไมแกนของดาวฤกษ์ยังคง“ ตาย” ในขณะที่“ เปลือก” ของมันเริ่มหลอมรวม ???

ดวงอาทิตย์ของเราประมาณครึ่งทางผ่าน "ลำดับหลัก" หรือขั้นตอนการหลอมไฮโดรเจน ฟิวชั่นในแกนของดาวเป็นส่วนหนึ่งของความสมดุลแบบไดนามิก

• สนามโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ (ผลิตโดยมวลของมัน) มีแนวโน้มที่จะอัดมวลของมันไปยังแกนกลาง ยิ่งมีการบีบอัดสสารมากเท่าไหร่ก็ยิ่งร้อนแรงขึ้นเท่านั้น

• การปล่อยพลังงานที่เกิดจากการหลอมรวมขององค์ประกอบที่แกนกลางมีแนวโน้มที่จะกระจายสารออกไปจากแกนกลาง การกระจายตัวของสสารจากแกนกลางมีแนวโน้มที่จะลดอุณหภูมิ

ขนาดของดาวนั้นถึงกำหนดแล้วอย่างน้อยก็ในบางส่วนโดยความสมดุลแบบไดนามิกที่เกิดขึ้นจากแรงอัดความโน้มถ่วงซึ่งเท่ากับแรงที่เกิดจากการขยายตัวของฟิวชั่น นี้เรียกว่าดาวของสภาวะสมดุลอุทกสถิต

ปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อมวลลดลงเนื่องจากองค์ประกอบที่หนักกว่าถูกหลอมรวม พลังงานส่วนใหญ่จะถูกปล่อยออกมาสำหรับการหลอมไฮโดรเจนโดยที่ฮีเลียมจะถูกปล่อยน้อยลงและอื่น ๆ ในที่สุดก็ถึงจุด (ฟิวชั่นของเหล็ก) ซึ่งปริมาณของพลังงานที่จำเป็นในการหลอมองค์ประกอบเป็นมากกว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิวชั่น แกนเหล็กของดาวฤกษ์ดังกล่าวมีความคิดว่าเป็น "ไม่หลอมละลาย" เพราะหากแกนถูกทำให้ร้อนถึงอุณหภูมิเพื่อให้เกิดการหลอมเหล็กจะมีพลังงานไม่เพียงพอจากปฏิกิริยาเพื่อรักษาอุณหภูมิ

เมื่อมาถึงจุดนี้ดาวดวงนี้ก็ไม่สามารถรักษาสมดุลอุทกสถิตของมันได้มากขึ้นแม้ในขณะที่มวลควบแน่น สิ่งที่เกิดขึ้นต่อไปขึ้นอยู่กับว่าดาวฤกษ์มีมวลมากน้อยเพียงใดและสนามแรงโน้มถ่วงของมันนั้นแข็งแกร่งเพียงพอที่จะรับแรงกดดันจากความเสื่อมของอิเล็กตรอนหรือไม่