Làm thế nào một người khổng lồ đỏ có thể phát triển lớn như vậy?


11

Giả sử khi mặt trời trở thành một người khổng lồ đỏ, nó sẽ phát triển đủ lớn để nuốt chửng Trái đất.

Tuy nhiên, điều này đòi hỏi bán kính của mặt trời phải mở rộng theo hệ số xấp xỉ 215 ×, nghĩa là thể tích của nó sẽ phải mở rộng 10.000.000 ×.

Có lẽ đó chỉ là tôi, nhưng một cái gì đó về điều này không cảm thấy trực quan :-) đặc biệt là mặt trời không tăng nhiều khối lượng. Chính xác thì những gì về các nguyên tố nung chảy nặng hơn hydro ngụ ý rằng các chất phản ứng và / hoặc sản phẩm chiếm tới 10.000.000 × thể tích? Không ai từng giải thích điều này khi giải thích về cuộc đời của các ngôi sao và tôi không hiểu tại sao nó lại như vậy. (Trên thực tế, tôi đã dự kiến ​​hợp hạch sẽ dẫn đến việc giảm âm lượng, do các hạt nhân đang kết hợp ...)

Biên tập:

Có vẻ như có 2 loại người khổng lồ đỏ, một số xảy ra trong quá trình tổng hợp hydro, một số helium.
Nếu câu trả lời là khác nhau đối với hai loại này, thì ít nhất tôi cũng muốn biết câu trả lời cho loại helium (mặc dù tất nhiên tôi sẽ đánh giá cao loại này đi xa hơn và giải quyết cả hai).


2
Mặt trời đang mất khối lượng, không đạt được khối lượng. Cả về mặt năng lượng thông qua phản ứng tổng hợp và phóng xạ và nó đang mất đi vật chất bởi sự phóng đại khối của vành. Điều đó không thay đổi câu hỏi của bạn nhưng đáng để chỉ ra.
dùngLTK

@userLTK: Vâng, khi tôi nói "không tăng nhiều khối lượng" tôi không có ý ám chỉ có lợi nhuận ròng ... thực tế ban đầu tôi không có từ "nhiều", nhưng tôi đã thêm nó sau vì tôi đã chắc chắn ai đó sẽ bình luận và cho tôi biết về mặt kỹ thuật một số khối lượng cũng được thêm vào mặt trời thông qua bụi liên sao hoặc bất cứ điều gì. Dường như tôi không thể tránh được những bình luận đúng về mặt kỹ thuật này ...
user541686 27/03/18

1
PV=nRTPVTnRn

@Phiteros: Tôi đoán, nhưng điều đó sẽ thuyết phục hơn nếu yếu tố giống như 10 × chứ không phải 10.000.000 ×.
dùng541686

Như tôi đã nói, đó chỉ là một cách siêu đơn giản để nhìn vào những thứ mà bỏ qua rất nhiều điều đang diễn ra bên trong ngôi sao.
Phiteros

Câu trả lời:


9

Trong tâm trí tôi, không có lời giải thích nào thực sự bao hàm lý do thực sự khiến những người khổng lồ đỏ mở rộng. Thật vậy, chủ đề này có vẻ giống như một khu vực nơi mọi người tạo ra bất cứ thứ gì nghe có vẻ hợp lý, nhưng nó thường khá sai (Fraser Cain đề cập đến cả áp suất nhẹ và âm lượng cao hơn trong vỏ hợp nhất, nhưng áp lực nhẹ không có vai trò gì cả, và thể tích của vỏ không khác nhiều so với lõi, nhỏ hơn lõi của Mặt trời). Vì vậy, hãy để câu chuyện thẳng thắn.

Nhiều mô tả bao gồm một số yếu tố chính, bao gồm cả việc bạn có một lớp vỏ hợp nhất hydro đang diễn ra trên đỉnh một lõi helium thoái hóa trơ. Nhưng lý do chính cho việc mở rộng là cách mà lớp vỏ này tự điều chỉnh tốc độ hợp hạch của nó khá khác biệt so với cách mà lõi của Mặt trời đang tự điều chỉnh sự hợp nhất của nó.

Bây giờ, lõi của Mặt trời tự điều chỉnh tốc độ hợp hạch của nó để phù hợp với tốc độ mà năng lượng (dưới dạng ánh sáng) đang khuếch tán ra ngoài qua khối lượng của Mặt trời. Cách thức thực hiện điều này về cơ bản là giống nhau trong tất cả các ngôi sao trong chuỗi chính: chúng điều chỉnh nhiệt độ lõi của chúng, đó là lý do tại sao nhiệt độ lõi của các ngôi sao trình tự chính phát sáng hơn cao hơn một chút. Nhưng đây không phải là cách mà vỏ hợp nhất trong một người khổng lồ đỏ tự điều chỉnh tốc độ hợp hạch của nó - nó không thể điều chỉnh nhiệt độ của nó, bởi vì nhiệt độ được trao cho nó bởi trọng lực của lõi thoái hóa mà nó nằm trên. (Điều này đặt nhiệt độ thông qua định lý virus, đó là cách quan trọng mà lõi thoái hóa ảnh hưởng đến vỏ - nó đặt nhiệt độ của nó.) Vì vỏ không tự điều chỉnh nhiệt độ, nhiệt độ có xu hướng khá cao, đặc biệt là khi lõi tăng khối lượng (đây là lý do tại sao độ sáng tăng theo thời gian). Fusion rất nhạy cảm với nhiệt độ, do đó, bị mắc kẹt với nhiệt độ rất cao làm cho tốc độ nhiệt hạch điđiên cuồng . Phần còn lại của ngôi sao không thể hỗ trợ tỷ lệ hợp nhất ngoạn mục này, vì vậy một cái gì đó khác xảy ra.

Ngôi sao phồng ra, và khi làm như vậy, chúng ta tìm ra cách cái vỏ điều chỉnh tốc độ hợp nhất của chính nó: nó nâng trọng lượng ra khỏi vỏ . Điều đó làm giảm áp suất trong vỏ, bù cho nhiệt độ cao và làm giảm tốc độ nhiệt hạch xuống mức mà phần còn lại của ngôi sao có thể quản lý (được đặt bởi ánh sáng tốc độ có thể khuếch tán qua vỏ). Vì vậy, có lý do thực sự-- ngôi sao phải tìm cách nâng trọng lượng khỏi lớp vỏ nhiệt độ cao điên cuồng của nó để giữ cho tốc độ nhiệt hạch không bị hỏng, nhưng kết quả cuối cùng là tốc độ nhiệt hạch vẫn còn khá cao và cao hơn khối lượng của lõi tăng lên, buộc nhiệt độ vỏ tăng hơn bao giờ hết và buộc ngôi sao phải phồng ra nhiều hơn.


+1, nhưng có bất kỳ cơ hội nào bạn có thể đưa ra ý tưởng về tốc độ nhiệt hạch tăng nhanh như thế nào dựa trên nhiệt độ không? Nghe có vẻ như nó không tuyến tính ... nó có phải là bậc hai không? Khối lập phương? Bộ tứ? Số mũ? Và sự khác biệt nhiệt độ tương ứng như thế nào, đại khái là?
dùng541686

@Mehrdad Tốc độ kết hợp sẽ tăng (khoảng) theo cấp số nhân theo nhiệt độ, nhưng nhiệt độ cho một cái gì đó lớn như một ngôi sao, tăng chậm, cho đến khi lõi sụp đổ, có thể tạo ra sự gia tăng nhiệt độ rất nhanh.
dùngLTK

Thật sự cảm ơn; điều đó giải thích những gì xa như tôi có thể nói! Tôi đoán phương trình có liên quan là một trong này tôi chỉ tìm thấy trên dưới cùng của trang 66?
dùng541686

Vâng, nguồn đó cung cấp cho các chi tiết gorey, mặc dù thông thường phù hợp với chức năng đó với một luật công suất đơn giản trong một số phạm vi T. Khi điều đó được thực hiện, nó thường là một sức mạnh khá dốc, nhưng một lần nữa, T lại quá cao đến nỗi nhiều công thức dành cho lõi chuỗi chính sẽ không hoạt động. Đó là một chức năng dốc của T, đó là chìa khóa.
Ken G

1
Câu trả lời là dành cho một người khổng lồ đỏ, mà tôi tin là những gì đang được hỏi, đó là giai đoạn tiến hóa chính mà chúng ta muốn hiểu ở đây. Nhưng các chi tiết cho AGB ("loại thứ hai" được đề cập trong bản chỉnh sửa) khá giống nhau, chỉ đơn giản là thay thế lõi helium thoái hóa và vỏ đốt hydro bằng lõi carbon thoái hóa và vỏ đốt helium. Tất nhiên cũng có vỏ đốt hydro trong AGB, nhưng điều này không làm hỏng sự tương đồng của chúng nếu người ta chỉ muốn hiểu tại sao chúng tồn tại ở nơi đầu tiên.
Ken G

6

một mô tả hay ở đây . Hãy nhớ rằng một ngôi sao được làm bằng khí (plasma tốt nếu bạn muốn kén chọn), vì vậy nó không có thể tích cố định. Khi hợp hạch bắt đầu, một ngôi sao sẽ mở rộng cho đến khi nó đạt đến kích thước nơi nó có thể cân bằng lượng năng lượng được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp với lượng phát ra từ bề mặt. Nếu nó quá nhỏ, nó sẽ nóng lên, gây ra sự giãn nở (tùy thuộc vào phần nào của ngôi sao đang giãn nở) sẽ làm giảm năng lượng được tạo ra và tăng lượng bức xạ đi. Một sự hiểu biết chi tiết hơn về điều này đòi hỏi phải theo dõi nhiệt độ và mật độ thay đổi theo độ sâu của ngôi sao.

Trong một người khổng lồ đỏ, năng lượng được tạo ra không phải trong lõi, mà là trong một vỏ hình cầu bao quanh lõi (vì lõi có ít nhiều hết nhiên liệu). Đây thực sự là một khối lượng lớn hơn, do đó, nhiều năng lượng đang được sản xuất. Ngôi sao mở rộng cho đến khi nó có thể tỏa tất cả năng lượng đó đi.

Tôi tìm thấy một mô tả chỉ với số lượng vừa phải của toán họcđặc biệt là khoảng trang 132. Vì vậy, có một điều là bạn có lõi helium, với phản ứng tổng hợp hydro diễn ra ngay bên ngoài nó. Điều đó có nghĩa là có ít khối lượng "bên trên" lớp nhiệt hạch hơn, do đó phản ứng tổng hợp thực sự xảy ra ở áp suất thấp hơn so với khi nó xảy ra trong lõi. Điều đó đòi hỏi nhiệt độ cao hơn trong lớp đó và khi bạn thực hiện các phương trình, tổng sản lượng năng lượng cao hơn nhiều. Dòng năng lượng đó, cho dù khi bức xạ hoặc đối lưu đến các lớp bên ngoài của ngôi sao, và ban đầu làm chúng nóng lên, khiến chúng giãn nở (vì trọng lực của các ngôi sao ít nhiều không thay đổi và do đó không thể kéo chúng xuống mạnh hơn nữa). Khi mở rộng, chúng nguội đi, điều đó có nghĩa là chúng bẫy bức xạ nhiều hơn (khí lạnh hơn trong suốt) và tỏa ra ít hơn, và chúng được làm nóng trở lại và mở rộng trở lại. Điều này tiếp tục cho đến khi tìm thấy điểm cân bằng (hoặc không, đối với các ngôi sao lớn hơn nhiều so với mặt trời có thể thổi bay phần lớn khối lượng của chúng theo cách này) và khi bạn thực hiện các con số thì hóa ra sự cân bằng này đòi hỏi một ngôi sao rất lớn. Có lẽ một cách nghĩ về nó là một ngôi sao nhỏ hơn nhiều so với mặt trời chỉ từ từ tắt. Một ngôi sao lớn hơn nhiều so với phụ nổ tung. Mặt trời đã sẵn sàng giữa hai người, vì vậy nó "gần như nổ tung" nhưng dừng lại khi các lớp bên ngoài của nó trở nên rất lớn.

Một lưu ý nữa là mật độ ở phần trên của một người khổng lồ đỏ khá thấp - theo tiêu chuẩn của chúng tôi, đó là một khoảng chân không tốt, bị nhiễm khí nóng đỏ. Tuy nhiên vì ngôi sao quá lớn nên nó vẫn mờ đục, vì vậy chúng tôi tính đó là một phần của ngôi sao.


Cảm ơn câu trả lời! Thật không may, mô tả mà bạn liên kết chỉ đơn thuần nói rằng "Mặt trời bị sưng lên gấp hàng trăm lần kích thước của nó, giải phóng năng lượng gấp hàng nghìn lần. Đây là khi Mặt trời trở thành người khổng lồ đỏ quen thuộc, ngấu nghiến các hành tinh ngon lành, bao gồm cả Trái đất . " mà không nói gì về lý do tại sao điều này xảy ra. Tôi sẽ +1 cho quan điểm của bạn về mật độ, nhưng nó không thực sự trả lời câu trả lời cốt lõi của câu hỏi của tôi (không chắc là có ý định chơi chữ không).
dùng541686

Các đoạn trước đó được tóm tắt trong đoạn thứ hai của tôi, là lý do tại sao - nhiều năng lượng được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp trong vỏ bao quanh lõi so với trước đây được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp ở trung tâm của lõi, vì vậy ngôi sao phải mở rộng ra tỏa đi tất cả năng lượng này.
Steve Linton

Các đoạn trước đó đã nói về phản ứng tổng hợp hydro trước giai đoạn khổng lồ đỏ? Và ngay cả khi họ đã giải thích pha khổng lồ đỏ bằng cách nào đó, năng lượng được tạo ra "nhiều hơn" thậm chí sẽ không thể đưa ra lời giải thích thỏa đáng cho chênh lệch âm lượng 10.000.000 × cho đôi tai giáo dân của tôi. Hãy tưởng tượng nếu ai đó tuyên bố mực nước biển sẽ tăng lên gấp 200 lần do sự nóng lên toàn cầu, tôi đã hỏi "tại sao?", Và bạn đã trả lời "bởi vì băng tan sẽ đổ nhiều nước hơn vào đại dương". Ý tôi là, vâng, OK, tôi có nước "nhiều hơn" ... nhưng mực nước biển sẽ cao hơn 200 × ?!
dùng541686

Đã chỉnh sửa với một liên kết đến một văn bản bán kỹ thuật và một số giải thích thêm
Steve Linton

5

Kích thước của ngôi sao ở trạng thái cân bằng là sự cân bằng của các lực, áp suất được tạo ra bởi plasma nóng, được làm nóng bởi các phản ứng hạt nhân trong lõi, được cân bằng bởi trọng lực.

Tỷ lệ hợp nhất bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi nhiệt độ. Tăng nhiệt độ lên một chút và bạn sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn. Khi lõi hết hydro, nó bắt đầu sụp đổ và nóng lên, tạo thành lõi helium thoái hóa trơ được bao quanh bởi lớp vỏ hydro cháy nhanh. Ở trạng thái cân bằng mới này, rất nhiều năng lượng được giải phóng. Phản hồi tích cực này có nghĩa là những gì có vẻ như là một thay đổi nhỏ (đốt lõi sang đốt vỏ) có ảnh hưởng lớn đến sản lượng năng lượng của ngôi sao.

Bây giờ khi một ngôi sao tiến hóa, nó sẽ tạo ra nhiều năng lượng hơn mỗi giây. Aldebaran tạo ra năng lượng gấp 500 lần mỗi giây so với mặt trời, mặc dù chỉ lớn hơn một chút.

Bây giờ điều này không làm cho ngôi sao tăng kích thước, nhưng khi ngôi sao lớn hơn, các lớp bên ngoài nằm xa trung tâm của trọng lực hơn, và do đó lực hấp dẫn lên chúng bị giảm, theo quy luật nghịch đảo bình phương. Với trọng lực ít hơn, sự tăng trưởng về kích thước được khuếch đại. Vì vậy, một sự gia tăng lớn về sức mạnh trở thành một sự gia tăng lớn về kích thước. Đây là lý do tại sao sự tăng trưởng về kích thước lớn hơn nhiều so với trực giác đơn giản về sự giãn nở của khí nóng sẽ dự đoán.

Trong giai đoạn cuối cùng của quá trình tiến hóa của một ngôi sao, kích thước của ngôi sao tăng lên không giới hạn, vì lực hấp dẫn của ngôi sao không đủ để giữ các lớp ngoài của nó liên kết với ngôi sao và nó trở thành một tinh vân hành tinh.


+1 để chỉ ra khía cạnh trọng lực, nhưng tôi vẫn chưa thực sự tìm thấy yếu tố 200 × trực quan. Có lực lượng helium phản ứng tổng hợp các sản phẩm chống lực hấp dẫn đó là tương ứng rằng có rất nhiều mạnh hơn những tạo ra bởi hydro fusion? Hoặc nhiệt độ tăng lên nhiều để bù cho khối lượng? Thật khó để nuốt
trôi

Vâng, hàng trăm lần năng lượng được cung cấp nhiều hơn, do lõi nóng hơn nhiều.
James K

1
Còn về "trực giác", tôi nghi ngờ bất cứ ai cũng có trực giác về điều này. Đó là lý do toán học.
James K

Sửa lỗi cho tôi nếu tôi sai, nhưng người khổng lồ đỏ xảy ra trước khi hợp hạch Helium xảy ra.
dùngLTK

1
Vâng, câu hỏi đã được chỉnh sửa. Tôi nghĩ rằng các sự kiện cơ bản là như nhau. Lõi nóng hơn, phản ứng tổng hợp nhanh hơn nhiều, Lớp ngoài mở rộng, ống hút trọng lực. và "toán học vấp ngã trực giác"
James K

1

Cách trực quan để suy nghĩ về nó là hiểu rằng có nhiều thay đổi, về bản chất, khuếch đại lẫn nhau. Sự khuếch đại trong thiên văn học không phải là hiếm. Nó giải thích tại sao trọng lực có thể làm cho các vật thể lớn trở nên nhỏ bé, bởi vì khi vật thể lớn trở nên nhỏ hơn, trọng lực và trọng lượng của vật thể tăng theo cấp số nhân. Theo một nghĩa nào đó, điều ngược lại xảy ra với một người khổng lồ Đỏ. Trọng lực ở bề mặt phát triển đủ thấp để loại sao bước vào sự giãn nở.

Sự mở rộng của ngôi sao muộn trong cuộc đời của nó là theo cấp số nhân. Đó là lý do tại sao nó có thể mở rộng rất nhiều.

Nếu mặt trời tăng gấp đôi kích thước nhưng khối lượng của nó vẫn không thay đổi. Theo giả thuyết này, trọng lực bề mặt của Mặt trời mới được chia cho 4. Vận tốc thoát của nó được chia cho căn bậc 2, do đó lớp ngoài có trọng lượng nhỏ hơn nhiều, nhưng tốc độ thoát vẫn liên kết nó với ngôi sao. Mọi thứ đều bằng nhau, mở rộng mặt trời sẽ làm cho nó nguội đi, nhưng sử dụng quy tắc bình phương trung bình gốc cho vận tốc nhiệt, nếu nhiệt độ chia cho 2, vận tốc của các phân tử hydro và heli được chia cho căn bậc 2.

Theo lý thuyết này, các nguyên tử hydro trên bề mặt của chúng chuyển động chậm hơn một chút, nhưng với trọng lực bằng 1/4, chúng tự do hơn và chúng có thể di chuyển xa hơn từ ngôi sao dựa trên vận tốc nhiệt của chúng.

Nếu chúng ta tiếp tục mở rộng mặt trời, sẽ có một điểm mà hydro bên ngoài trở nên vô cùng lỏng lẻo. Ở kích thước khổng lồ đỏ, giả sử, bán kính 1 AU hoặc bán kính mặt trời hiện tại là 215, trọng lực thấp hơn khoảng 46.000 lần và hydro trên bề mặt chỉ trải qua 0,006 m / s ^ 2 gia tốc hấp dẫn, nhưng cùng các phân tử hydro đó ở khổng lồ đỏ nhiệt độ (khoảng 3.000 độ K), đang di chuyển khoảng 5,5 km / s. Chúng có thể bay xa khỏi bề mặt hơn một triệu km chỉ dựa vào năng lượng nhiệt của chúng, so với khoảng 100 km trên bề mặt mặt trời hiện tại (chỉ dưới 8 km / giây).

Trong cả hai trường hợp, lớp hydro và heli bên ngoài ở trạng thái cân bằng, chỉ là trọng lực và kích thước khổng lồ đỏ thấp đến mức với trạng thái cân bằng khổng lồ màu đỏ rất lỏng lẻo này. Nhưng đó chỉ là một phần của lý do.

Hãy xem xét những gì khác xảy ra khi mặt trời già đi.

nhập mô tả hình ảnh ở đây

Nguồn .

Cốt lõi, nơi hợp nhất xảy ra là một khu vực tương đối nhỏ ở trung tâm. Bao bọc xung quanh lõi là vùng bức xạ và vùng dẫn điện. giúp giữ nhiệt khỏi sự hợp nhất bị mắc kẹt bên trong mặt trời. Kết quả là, theo thời gian, bên trong mặt trời ngày càng nóng hơn và khi nó càng nóng thì lõi càng phát triển lớn hơn và nó bao gồm ngày càng nhiều vùng phóng xạ.

Nếu chúng ta nghĩ rằng vùng bức xạ là một loại chăn giữ nhiệt bên trong mặt trời, khi lõi phát triển lớn hơn và lớn hơn, thì vùng bức xạ bị kéo căng và mất khối lượng vào lõi, do đó, nó trở nên mỏng hơn theo hai cách. Nếu kích thước của lõi được nhân đôi, các photon từ lõi phải truyền qua 1/4 số lượng phân tử. Khi mặt trời đã đủ tuổi và hầu hết các phản ứng tổng hợp xảy ra ở rìa ngoài của lõi, sẽ có ít hơn một tấm chăn để giữ nhiệt. Nó không tạo ra nhiều năng lượng hơn, đó là năng lượng đó có con đường dễ dàng hơn đến khu vực bên ngoài của mặt trời. Vì vậy, bạn có hiệu ứng khuếch đại, khi mặt trời phát triển lớn hơn, trọng lực bề mặt giảm theo bình phương bán kính và nhiệt bên trong có ít vật liệu đi qua để đến các lớp bên ngoài,

Sự sụp đổ lõi nội bộ cũng có thể đóng một vai trò. Ngay cả khi lõi bên trong hết hydro để cầu chì và nó bắt đầu sụp đổ, hành động sụp đổ tạo ra sức nóng đáng kể.

Không chắc điều đó rõ ràng, nhưng đó là nỗ lực của tôi để giải thích những gì xảy ra bằng trực giác.

Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.