Come può un gigante rosso crescere così grande?

Presumibilmente quando il sole diventa un gigante rosso, crescerà abbastanza grande da inghiottire la Terra.

Tuttavia, ciò richiede che il raggio del sole si espanda di un fattore di circa 215 ×, il che significa che il suo volume dovrebbe espandersi di 10.000.000 ×.

Forse sono solo io, ma qualcosa al riguardo non sembra intuitivo :-) soprattutto perché il sole non sta guadagnando molta massa. Che dire esattamente della fusione di elementi più pesanti dell'idrogeno implica che i reagenti e / o i prodotti occupano un volume di 10.000.000 ×? Nessuno lo spiega mai quando spiega la vita stellare, e non capisco perché dovrebbe essere il caso. (In effetti, mi sarei aspettato che la fusione causasse una diminuzione del volume, dato che i nuclei si stanno combinando ...)

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Sembra che ci siano 2 tipi di giganti rossi, alcuni che si verificano durante la fusione dell'idrogeno, altri l'elio.
Se la risposta è diversa per questi due tipi, mi piacerebbe almeno conoscere la risposta per il tipo di elio (anche se ovviamente apprezzerei uno che va oltre e si rivolge ad entrambi).

Nella mia mente, nessuna di queste spiegazioni copre davvero la vera ragione per cui i giganti rossi si espandono. In effetti, questo argomento sembra un'area in cui le persone inventano qualsiasi cosa che sembri plausibile, ma spesso è piuttosto sbagliata (Fraser Cain menziona sia la pressione della luce che un volume più elevato nel guscio di fusione, ma la pressione della luce non ha alcun ruolo, e il il volume della shell non è molto diverso dal core, che è molto più piccolo del core del Sole). Quindi mettiamo la storia in chiaro.

Molte delle descrizioni includono alcuni degli elementi chiave, incluso il fatto che hai un guscio di fusione dell'idrogeno che si trova sopra un nucleo di elio degenerato inerte. Ma la ragione principale dell'espansione è che il modo in cui questa shell si autoregola la velocità di fusione è un po 'diverso dal modo in cui il nucleo del Sole sta autoregolando la sua fusione ora.

Ora, il nucleo del Sole autoregola la propria velocità di fusione per adattarsi alla velocità con cui l'energia (sotto forma di luce) si sta diffondendo attraverso la massa del Sole. Il modo in cui lo fa è essenzialmente lo stesso in tutte le stelle della sequenza principale: regolano la loro temperatura interna, motivo per cui la temperatura interna delle stelle più luminose della sequenza principale è leggermente più alta. Ma questo non è affatto il modo in cui il guscio che si fonde in un gigante rosso si autoregola la velocità di fusione - non può regolare la sua temperatura, perché la temperatura viene trasmessa dalla gravità del nucleo degenerato su cui si trova. (Questo imposta la temperatura tramite il teorema viriale, che è il modo in cui il nucleo degenerato influenza il guscio - imposta la sua temperatura.) Poiché il guscio non regola la propria temperatura, la temperatura tende ad essere piuttosto alta, soprattutto quando il nucleo guadagna massa (ecco perché la luminosità aumenta con il tempo). La fusione è molto sensibile alla temperatura, quindi rimanere bloccati a una temperatura molto elevata fa aumentare la velocità di fusioneimpazzito . Il resto della stella non può supportare questa spettacolare velocità di fusione, quindi succede qualcos'altro.

La stella si gonfia e, così facendo, troviamo il modo in cui il guscio regola la propria velocità di fusione: solleva il peso dal guscio . Ciò riduce la pressione nel guscio, che compensa l'alta temperatura e riduce la velocità di fusione a ciò che il resto della stella può gestire (che è impostato dalla velocità della luce che può diffondersi attraverso il guscio). Quindi c'è il vero motivo: la stella deve trovare un modo per sollevare il peso dal suo guscio pazzo ad alta temperatura per evitare che la velocità di fusione diventi pazza, ma il risultato è che la velocità di fusione è ancora piuttosto alta e diventa più alta la massa del nucleo aumenta, forzando sempre più la temperatura della conchiglia e costringendo la stella a gonfiarsi ancora di più.

C'è una bella descrizione qui . Ricorda che una stella è fatta di gas (ben plasma se vuoi essere pignolo), quindi non ha un volume fisso. Una volta avviata la fusione, una stella si espanderà fino a raggiungere una dimensione in cui può bilanciare la quantità di energia prodotta dalla fusione con la quantità irradiata dalla superficie. Se è troppo piccolo, si surriscalda, causando un'espansione che (a seconda di quali parti della stella si stanno espandendo) ridurrà l'energia prodotta e aumenterà la quantità irradiata. Una comprensione più dettagliata di ciò richiede di tenere traccia di come la temperatura e la densità variano con la profondità della stella.

In un gigante rosso, l'energia viene prodotta non nel nucleo, ma in un guscio sferico che circonda il nucleo (perché il nucleo ha più o meno a corto di carburante). Questo è in realtà un volume maggiore, quindi viene prodotta più energia. La stella si espande fino a quando non può irradiare tutta quell'energia.

Ho trovato una descrizione con solo moderate quantità di matematicaspecialmente intorno a pagina 132. Quindi una cosa è che hai un nucleo di elio, con la fusione dell'idrogeno che si svolge appena fuori di esso. Ciò significa che c'è meno massa "sopra" lo strato di fusione, quindi la fusione sta effettivamente avvenendo a pressioni più basse rispetto a quando stava accadendo nel nucleo. Ciò richiede temperature più elevate in quello strato e, quando si eseguono le equazioni, una produzione di energia totale molto più elevata. Quel flusso di energia, sia quando la radiazione o la convezione raggiunge gli strati esterni della stella, e inizialmente li riscalda, facendoli espandere (poiché la gravità delle stelle è più o meno invariata e quindi non può tirarli giù più duramente). Nell'espandersi, si raffreddano, il che significa che intrappolano di più le radiazioni (il gas più freddo è meno trasparente) e si irradiano di meno, e si riscaldano di nuovo e si espandono nuovamente. Questo continua finché non viene trovato un punto di equilibrio (o no, per stelle molto più grandi del sole che può far esplodere gran parte della loro massa in questo modo) e quando fai i numeri si scopre che questo equilibrio richiede una stella molto grande. Forse un modo di pensarci è che una stella molto meno massiccia del sole si spegne lentamente. Una stella molto più massiccia dell'esplosione del sottomarino. Il Sole è in bilico tra i due, quindi "esplode quasi" ma si ferma quando i suoi strati esterni sono diventati molto grandi.

Un'ulteriore osservazione è che la densità nella parte superiore di un gigante rosso è piuttosto bassa: per i nostri standard è un vuoto decente, contaminato da gas rovente. Tuttavia, poiché la stella è così grande, è ancora opaca, quindi la contiamo come parte della stella.

La dimensione della stella in equilibrio è un equilibrio di forze, la pressione prodotta dal plasma caldo, riscaldata dalle reazioni nucleari nel nucleo, bilanciata dalla gravità.

I tassi di fusione sono fortemente influenzati dalla temperatura. Aumenta leggermente la temperatura e otterrai molta più energia in uscita. Man mano che il nucleo si esaurisce, l'idrogeno inizia a collassare e riscaldarsi, formando un nucleo di elio degenerato inerte circondato da un guscio di idrogeno a combustione rapida. A questo nuovo equilibrio viene liberata molta più energia. Questo feedback positivo significa che quello che sembra un piccolo cambiamento (core to shell burning) ha un enorme effetto sulla produzione di energia della stella.

Ora quando una stella si evolve, emette molta più energia al secondo. Aldebaran produce 500 volte più energia al secondo del sole, nonostante sia solo un po 'più grande.

Questo fa sì che la stella aumenti di dimensioni, ma quando la stella diventa più grande, gli strati esterni sono più lontani dal centro di gravità, e quindi la forza di gravità su di essi viene ridotta, secondo la legge del quadrato inverso. Con meno gravità la crescita delle dimensioni è amplificata. Quindi un grande aumento di potenza diventa un massiccio aumento delle dimensioni. Questo è il motivo per cui la crescita dimensionale è molto più grande di quanto preveda la semplice intuizione sull'espansione del gas caldo.

Negli stadi finali dell'evoluzione di una stella, la dimensione della stella cresce senza limiti, poiché la gravità della stella non è sufficiente per mantenere i suoi strati esterni legati alla stella e diventa una nebulosa planetaria.

Il modo intuitivo di pensarci è capire che ci sono molti cambiamenti che, in sostanza, si amplificano a vicenda. L'amplificazione in astronomia non è poi così insolita. Spiega perché la gravità può rendere gli oggetti enormi così piccoli, perché quando l'oggetto massiccio si riduce, la gravità e il peso dell'oggetto crescono in modo esponenziale. In un certo senso, accade il contrario con un gigante rosso. La gravità in superficie cresce abbastanza in basso che la stella entra in un'espansione di fuga.

L'espansione della stella in ritardo nella sua vita è esponenziale. Ecco perché può espandersi così tanto.

Se il sole dovesse raddoppiare, ma la sua massa sarebbe rimasta invariata. In questo ipotetico, la gravità della superficie del nuovo Sole è divisa per 4. La sua velocità di fuga è divisa per la radice quadrata di 2, quindi lo strato esterno ha molto meno peso, ma la velocità di fuga lo lega ancora alla stella. A parità di condizioni, l'espansione del sole dovrebbe farlo raffreddare, ma usando la regola quadrata media radice per la velocità termica, se la temperatura è divisa per 2, la velocità delle molecole di idrogeno ed elio è divisa per la radice quadrata di 2.

In questo teorico, gli atomi di idrogeno sulla superficie si muovono leggermente più lentamente, ma con 1/4 della gravità, sono più liberi e possono spostarsi ulteriormente dalla stella in base alla loro velocità termica.

Se continuiamo ad espandere il sole, arriva un punto in cui l'idrogeno esterno si lega incredibilmente liberamente. A dimensioni di un gigante rosso, diciamo, 1 UA in raggio o 215 raggi solari attuali, la gravità è circa 46.000 volte inferiore e l'idrogeno sulla superficie subisce solo un'accelerazione gravitazionale di 0,006 m / s ^ 2, ma quelle stesse molecole di idrogeno nel gigante rosso temperatura (circa 3.000 gradi K), si spostano di circa 5,5 km / s. Possono volare via dalla superficie per oltre un milione di km basandosi solo sulla loro energia termica, rispetto a circa 100 km sulla superficie del sole attualmente (basato su poco meno di 8 km / s).

In entrambi i casi, lo strato esterno di idrogeno ed elio sono in equilibrio, è solo che la gravità e le dimensioni del gigante rosso sono così così inferiori che con il gigante rosso, l'equilibrio è questo gas caldo molto erogato molto liberamente. Ma questa è solo una parte del motivo.

Considera cos'altro succede quando il sole invecchia.

Fonte .

Il nucleo, in cui avviene la fusione, è una regione relativamente piccola al centro. Avvolto attorno al nucleo è la zona radiativa e la zona conduttiva. che aiutano a mantenere il calore dalla fusione intrappolata nel sole. Di conseguenza, nel tempo, l'interno del sole diventa più caldo e man mano che cresce, il nucleo diventa più grande e comprende sempre più la zona radiativa.

Se pensiamo alla zona radiativa come a una sorta di coperta che intrappola il calore all'interno del sole, man mano che il nucleo diventa più grande e più massiccio, la zona radiativa viene entrambe allungata e perde massa al nucleo, quindi si assottiglia in due modi. Se la dimensione del nucleo viene raddoppiata, i fotoni provenienti dal nucleo devono attraversare 1/4 ° numero di molecole. Quando il sole invecchia abbastanza e la maggior parte della fusione avviene sul bordo esterno del nucleo, c'è significativamente meno di una coperta per mantenere intrappolato il calore. Non è così tanto che viene creata più energia, è che quell'energia ha un percorso più facile per la regione esterna del sole. Quindi hai un effetto di amplificazione, man mano che il sole cresce, la gravità superficiale scende del quadrato del raggio e il calore interno ha meno materiale da attraversare per raggiungere gli strati esterni,

Anche il collasso interno del nucleo può svolgere un ruolo. Anche quando il nucleo interno esaurisce l'idrogeno per fondersi e inizia a collassare, l'atto del collasso genera calore significativo.

Non sono sicuro che sia chiaro, ma questo è il mio tentativo di spiegare cosa succede intuitivamente.