Perché le stelle diventano giganti rosse?

Disclaimer: non sono un astronomo in carriera. Non possiedo un telescopio. Non ho credenziali professionali. Ma trovo questa roba affascinante e consumo tutti i documentari di astronomia che posso.

Quindi, ho visto molti documentari che descrivono l'evoluzione stellare. Capisco che al di sotto di una certa soglia, la morte stellare non coinvolge supernovae. Comprendo che al di sopra di tale soglia, le supernova possono creare stelle di neutroni, magnetar o (se la supernova si qualifica come ipernova) buchi neri.

Tuttavia, per molto tempo, ero curioso di sapere perché le stelle al di sotto della soglia della supernova - come il nostro Sole - diventano Giganti Rossi.

Dai documentari, mi è stato detto che (per le stelle al di sotto della soglia della supernova), quando la fusione del nucleo della stella non può continuare ... la fusione cessa e la stella inizia a collassare sotto gravità.

Mentre la gravità schiaccia la stella, capisco che la stella si riscalda mentre la gravità la schiaccia. Di conseguenza, sebbene il nucleo stellare rimanga "morto" (non si verifica alcuna fusione), un "guscio" di gas attorno al nucleo stellare diventa abbastanza caldo da iniziare a fondere l'elio. Poiché la fusione si presenta come un "guscio" attorno al nucleo stellare, la spinta esterna dalla fusione è ciò che spinge ulteriormente gli strati esterni della stella. Il risultato è che la stella diventa un gigante rosso.

La mia domanda è questa: perché la fusione cessa nel nocciolo ?! Mi sembra che quando la gravità schiaccia la stella, la fusione stellare riaccenderà nel nucleo stesso, non in una sfera attorno al nucleo. Perché il nucleo stellare rimane "morto" mentre il suo "guscio" inizia la fusione ???

(Questo è un po 'semplificato, ma spero che l'idea venga trasmessa.)

Le reazioni si fermano nel nocciolo perché si esaurisce il carburante. Durante la sequenza principale, la stella è supportata dalla fusione dell'idrogeno nell'elio. Alla fine, l'idrogeno si esaurisce al centro, quindi la fusione dell'idrogeno non è più possibile lì.

Perché non inizia subito a fondere l'elio in carbonio? Questo perché il core non è ancora abbastanza caldo o denso. Reazioni diverse si basano ampiamente sulla presenza di diversi stati risonanti nei nuclei e, nel caso dell'elio, tale stato non può essere raggiunto abbastanza spesso fino a quando la temperatura del nucleo non è di circa kelvin.$10^8$

Per riscaldarlo, il nucleo deve contrarsi e riscaldarsi. Alla fine lo fa (se la stella è abbastanza massiccia) ma non accade istantaneamente. Ricorda che il gas è ancora caldo e ad alta pressione, che esercita su se stesso e sui suoi dintorni.

Nel frattempo, ai margini del nucleo, la stella (in parte a causa di detta contrazione) è abbastanza calda da trasformare l'idrogeno in elio, quindi lo fa. Questo è esattamente il guscio che brucia nucleare che distingue la struttura interna di un gigante rosso.

Quindi forse pensaci in questo modo. Immagina una stella alla fine della sequenza principale. Dove fa abbastanza caldo da fondere l'idrogeno nell'elio? Ovunque fino al limite del nocciolo! Si fonde nel nucleo? No, perché è senza carburante. Quindi dove si fonde? Ai margini del nucleo, che riconosciamo come il guscio.

$M\sim1.4M_{sun}$

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

che a sua volta può essere convertito in calore.

$10^7 K$$(1)$$(2)$). Il guscio ha ancora abbastanza idrogeno e il contemporaneo è abbastanza profondo all'interno della stella (che significa alta temperatura), per consentire la fusione nucleare dell'idrogeno. Se la stella fosse più massiccia, potrebbero accadere più cose, come la fusione del nucleo di elementi più pesanti, e sempre più conchiglie in fiamme.

Dai un'occhiata a questi: Rif 1 , Rif 2 .

Rif 3 anche per alcuni numeri.

Per una comprensione più fondamentale, è utile rendersi conto delle difficoltà di fondere He-4 in C-12. Questo è chiamato il processo Triple-Alpha.

Quando due nuclei He-4 (particelle alfa) hanno energia sufficiente per superare la barriera di Coulomb e allineare le loro sezioni trasversali, produce Be-8. Il nucleo di Be-8 è così instabile (a causa del fatto che è energicamente favorevole per i nucleoni del soggetto da disporre in due particelle alfa) che ha un'emivita di circa 10 ^ -17 secondi, che è incredibilmente breve. Pertanto, per produrre C-12 tre particelle alfa devono riunirsi quasi istantaneamente, due producono Be-8 e in quella soglia di emivita, un terzo interagisce.

Prenditi un momento per pensare a quanto estreme devono essere le condizioni del nucleo per consentire alla probabilità che tre particelle alfa si uniscano e interagiscano con successo quasi istantaneamente e che accada abbastanza volte da produrre l'energia necessaria per far uscire il nucleo dalla degenerazione . La fusione dell'elio impiega circa 100 milioni di K per iniziare rispetto ai 15 milioni di K del nucleo del sole (sottoposti a catena protone-protone per circa il 99% delle reazioni) al momento attuale. Questa temperatura è fornita sia dall'incredibile pressione del nucleo degenerato sia dall'energia aggiuntiva fornita dal guscio.

La fusione con shell inizia prima del processo alfa triplo perché quando il nucleo si contrae e diventa degenerato, c'è così tanta energia irradiata dal nucleo che riscalda gli strati circostanti immediati fino al punto in cui può iniziare a fondere H-a-He, infatti fa così caldo che la fusione delle coperture avviene tramite il ciclo CNO.

Gli strati esterni della stella si espandono rapidamente poiché un'enorme quantità di energia viene irradiata da questo guscio, che si sta fondendo a una temperatura molto più calda rispetto al nucleo di oggi.

Penso che tu sia come me e abbia bisogno di più di una risposta da laico. Se vuoi una spiegazione valida e di facile comprensione di ciò che accade, guarda "Formazione ed evoluzione del sistema solare" in Wikipedia, quindi fai clic su 5.3 (Il sole e gli ambienti planetari). Il sole si espanderà effettivamente due volte: una volta quando il nucleo diventa così caldo dalla fusione accelerata dell'idrogeno (quando il nucleo del sole diventa più caldo, l'idrogeno brucia più velocemente) che l'idrogeno nel guscio attorno al nucleo inizia a fondersi (questa fusione di idrogeno nel guscio è ciò che spinge gli strati esterni a circa 1 UA). Quindi dopo circa 2 miliardi di anni. Il nucleo raggiunge una densità / temperatura critica (a causa della maggiore quantità di elio) che l'elio inizia a fondere in carbonio. A questo punto, c'è un "lampo" di elio e il sole si riduce di circa 11 volte la sua dimensione originale. L'elio nel nucleo si fonde in carbonio per circa 100 milioni di anni fino a quando accade lo stesso tipo di cose (tranne che questa volta l'idrogeno e l'elio nel guscio attorno al nucleo iniziano a fondersi causando l'espansione degli strati esterni. È dopo che l'elio inizia ad abituarsi (o "inquinato" con carbonio sufficiente per fermare il processo di fusione) e non c'è abbastanza massa per iniziare la fusione del carbonio che una nebulosa planetaria viene espulsa e la stella inizia a "morire".

Ti consiglio di leggere questo articolo su http://www.space.com/ .

Citando da esso:

La maggior parte delle stelle nell'universo sono stelle principali della sequenza: quelle che convertono l'idrogeno in elio tramite fusione nucleare. Una stella di sequenza principale può avere una massa compresa tra un terzo e otto volte quella del sole e infine bruciare attraverso l'idrogeno nel suo nucleo. Nel corso della sua vita, la pressione esterna della fusione si è bilanciata con la pressione interna della gravità. Una volta che la fusione si interrompe, la gravità prende il comando e comprime la stella più piccola e più stretta.

Le temperature aumentano con la contrazione, raggiungendo infine livelli in cui l'elio è in grado di fondersi con il carbonio. A seconda della massa della stella, la combustione dell'elio potrebbe essere graduale o potrebbe iniziare con un lampo esplosivo. L'energia prodotta dalla fusione dell'elio fa sì che la stella si espanda verso l'esterno a molte volte la sua dimensione originale.

EDIT: Wikipedia fornisce alcune informazioni aggiuntive:

Quando la stella esaurisce l'idrogeno nel suo nucleo, le reazioni nucleari non possono più continuare e quindi il nucleo inizia a contrarsi a causa della sua stessa gravità. Questo porta ulteriore idrogeno in una zona in cui la temperatura e la pressione sono adeguate per far riprendere la fusione in un guscio attorno al nucleo. Le temperature più elevate portano ad aumentare le velocità di reazione, abbastanza per aumentare la luminosità della stella di un fattore di 1.000-10.000. Gli strati esterni della stella si espandono quindi notevolmente, iniziando così la fase rosso-gigante della vita della stella.

La mia domanda è questa: perché la fusione cessa nel nocciolo ?! Mi sembra che quando la gravità schiaccia la stella, la fusione stellare riaccenderà nel nucleo stesso, non in una sfera attorno al nucleo. Perché il nucleo stellare rimane "morto" mentre il suo "guscio" inizia la fusione ???

Il nostro sole è circa a metà della sua "sequenza principale" o della fase di fusione dell'idrogeno. La fusione nel nucleo di una stella fa parte del suo equilibrio dinamico .

• Il campo gravitazionale della stella (prodotto dalla sua massa) tende a comprimere la sua massa verso il nucleo. Più la materia è compressa, più diventa calda.

• Il rilascio di energia prodotta dalla fusione di elementi nel nucleo tende a disperdere la materia lontano dal nucleo. La dispersione della materia dal nucleo tende a ridurne la temperatura.

La dimensione di una stella è quindi dovuta, almeno in parte, all'equilibrio dinamico formato in corrispondenza del quale le forze di compressione gravitazionali sono uguali alle forze espansive prodotte dalla fusione. Questo si chiama equilibrio idrostatico di una stella .

La quantità di energia che viene rilasciata su base per massa diminuisce man mano che gli elementi più pesanti vengono fusi. La maggior parte dell'energia viene rilasciata per la fusione dell'idrogeno, meno viene rilasciata dalla fusione dell'elio e così via. Alla fine, viene raggiunto un punto (fusione del ferro) in cui la quantità di energia necessaria per fondere gli elementi è maggiore dell'energia rilasciata dalla reazione di fusione. Si ritiene che il nucleo di ferro di tali stelle sia "non fusibile" perché se il nucleo fosse riscaldato a una temperatura per consentire la fusione del ferro, l'energia di reazione insufficiente verrebbe rilasciata per mantenere la temperatura.

A questo punto, la stella diventa sempre più incapace di mantenere il suo equilibrio idrostatico, anche se la sua massa si condensa. Cosa succederà dopo dipende da quanto è grande la stella e se il suo campo gravitazionale è abbastanza forte da superare la pressione di degenerazione elettronica della sua massa.