Механизм превращения желтого карлика в красного гиганта

[Михаил Голодняк]

Можно прочитать (и услышать), что всем рулит выгорание водорода в ядре и слоевой источник. Дескать сжатие ядра инициирует расширение внешних слоев. Но к-каак??? Сжатие ядра должно привести к тому, что вслед за ним все ухнет вниз. Или слоевой источник поджигается как раз в нужный момент, вследствие сжатия ядра? Один известный популяризатор после этого вопроса ответил, что у него нет времени. Посмотрим, что скажут здешние спецы :-)

[Evalmer]

У нас этого времени вагон с маленьком тележкой в прицепе, но, при этом, все-таки, не будем тянуть кота за хвост.
Итак, к-каак же Желтый карлик превращается в Красного гиганта?

Начнем с того, что у этих звезд (точнее, у звезды на разных эволюционных стадиях) различный источник энергии:

у карлика - это термоядерное горение водорода
у гиганта - термоядерное горение гелия

Единственное, что их, при этом, объединяет - так это то, что сам процесс термоядерного горения протекает не во всем объеме звезды, а исключительно в ее внутренней зоне - ядре, которое окружено "инертной" (в плане термоядерных реакций) оболочкой, размер которой (а вместе с тем и размер самой звезды) определяется количеством энергии, поступающей в нее из "активного" ядра.
И чем больше этот поток энергии, тем больше должна быть площадь ее излучения в окружающее пространство...
Гелий же (в качестве термоядерного топлива) значительно эффективнее водорода (дает на выходе больше энергии) и исключительно по этой причине, звезда, "работающая" на гелии, является гигантом, а "работающая" на водороде - карликом.

Если все это понятно, то можно рассмотреть и вопрос о переходе звезды из одного стационарного состояния (водородного) в другое (гелиевое)...

[Evalmer]

Итак, водород в звезде закончился - выгорел и превратился в гелий, для горения которого нужна более высокая температура в ядре звезды.
По этой причине (причине "смерти" Желтого карлика) ядро звезды (а, попутно, и сама звезда) начинает сжиматься. Как следствие этого сжатия, температура (с давлением) в ядре повышается до тех пор пока условия в ядре (температура и давление) не достигнут значений, необходимых для запуска горения гелия - гелиевой вспышки (взрывообразного начала термоядерного горения гелия в звезде).

Поначалу энерговыделение растет довольно медленно — за срок порядка нескольких сотен тысяч лет мощность, выделяемая гелиевым ядром, достигает приблизительно 10 солнечных. Всего через несколько лет после этого мощность доходит до величины порядка 10⁰-10 солнечных, что сравнимо со светимостью галактик, но держится на таком уровне всего несколько секунд.
Резкого повышения светимости звезды при этом не наблюдается: энергия, выделяемая в гелиевой вспышке в ядре, не доходит до поверхности звезды, а поглощается внешними слоями (оболочкой звезды), которая разогревается и за счет этого расширяется.
Однако, расширение оболочки звезды сопровождается ее охлаждением и переходом в новое равновесное (когда приток энергии из ядра звезды в ее оболочку в точности соответствует излучению энергии оболочкой в окружающее пространство) состояние - состояние Красного гиганта.

Для Желтых карликов (спектрального класса "G") процесс перехода в состояние Красного гиганта является кратким мигом на фоне их общей продолжительности жизни, но для массивных карликов (спектрального класса "В") переход в категорию гигантов затягивается уже на 50–300 млн. лет. В этот период неравновесного состояния происходят периодические колебания температуры звездной оболочки. Что отражается на изменении размеров и общей светимости звезды. И такие звезды (на стадии своего перехода из карликов в гиганты) становятся классическими цефеидами.

[Михаил Голодняк]

Я тоже так думал, когда приступал к изучению вопроса. Не во всех красных гигантах горит гелий. Учи матчасть, родной :-)

[Evalmer]

Ваш пресловутый "слоевой источник" является не более чем составной частью ядра. А посему:

[Михаил Голодняк]

Да нет, судя по всему, это работает не так. "Слоевой источник" — некоторый слой водорода вокруг ядра, в котором не происходит горения по причине недостаточной температуры. Когда водород выгорит в ядре, оно, без доступа энергии, сожмется, при этом, отнюдь не очевидно, что произойдет с его температурой, но по теореме о вириале, вроде как должна повысится (при не очень сильной потере на излучение). Ну а "слоевой источник" точно нагреется, и, если звезда достаточно массивна, до температуры начала рр-синтеза, теперь слоевой источник будет таковым уже без кавычек. Произойдет сферический термоядерный "взрыв", который и разнесет внешние слои, превратив желтый карлик в красного гиганта. После длительных размышлений картина вырисовывается примерно такая. Помог ее сформировать вот этот ресурс, если интересно, можно поглянуть:

(ссылка удалена модератором форума)

[Evalmer]

[Макcим]

Кстати, о характере звездной энергетики...
рр-синтез - есть столкновение двух протонов, приводящее к образованию атомного ядра тяжелого водорода.
А почему не рассматривается более доступный ре-синтез, дающий в результате столкновения протона с электроном - нейтрон?

[Evalmer]

На каком основании вы считаете, что ре-синтез "более доступный", чем рр-синтез?

Я тут немного посчитал (поправьте, если ошибся) энергию выхода ряда реакций:

1) р + р → Н + 1.442 МэВ
2) р + е⁻ → n - 0.782 МэВ
3) Н + Н → ⁴He + 20.847 МэВ

Получилось, что рр-синтез протекает с выделением энергии (+1.442 МэВ), а ре-синтез требует ее поглощения (-0.782 МэВ).
Этим, в частности, объясняется и то, почему электрон в атоме водорода не может самостоятельно упасть на ядро: ему, для этого, просто необходима дополнительная энергия в размере 0.782 МэВ!

[Макcим]

Интересно.
Только вот тяжёлый водород (2Н) в реальных звездных условиях будет гораздо чаще сталкиваться не с себе подобным ядром, а с протоном (р).
И еще вопрос: сколько энергии выделяется при горении гелия в красных гигантах.

[Evalmer]

В первом случае имеем два варианта:

либо
Н + р → Н + 5.475 МэВ
либо
Н + р → He + 5.494 МэВ

с последующей трансформацией:

Н → He + 0.019 МэВ

А второй вопрос дал неожиданный (во всяком случае, для меня) результат.
Я ожидал получить более высокий выход энергии при горении гелия...

3∙⁴He → С + 7.275 МэВ

[Макcим]

[Evalmer]

Вы правы, одновременного столкновения трех частиц здесь нет.
Речь идет только о сравнении (в плане энергии) начальной и конечной состояний системы. Например, чтобы получить одно ядро атома гелия необходимо иметь четыре протона. Из соотношения дефекта массы можно определить, что при переходе этой системы из начального состояния (четыре протона) в конечное (одно ядро атома гелия) выделится определенное количество энергии:

4∙р → ⁴He + 26.731 МэВ

Но это вовсе не означает того, что все четыре протона обязаны провзаимодействовать одновременно.
Имеет место поэтапный процесс термоядерного горения водорода:
1) р + р → Н + 1.442 МэВ
2) р + Н → He + 5.494 МэВ
3) р + He → ⁴He + 19.795 МэВ
А далее, горение водорода в звезде прекращается, поскольку энергия уже не выделяется, а поглощается:

р + ⁴He → ⁵He - 1.676 МэВ

Примечательно, что на каждом этапе горения водорода требуется все более высокая температура, необходимая на преодоление протоном кулоновского барьера взаимодействия (Q), в лице отталкивания одноименных электрических зарядов.

По этой причине, ядро Желтого Карлика имеет слоистую структуру:
Во внешнем слое (холодном, с температурой Q<T<2Q) возможны реакции №1 (р + р) и №2 (р + Н).
И только во внутреннем (горячем, с температурой T>2Q) слое звездного ядра Желтого Карлика идут все три типа реакций термоядерного горения водорода.

[Макcим]

[Evalmer]

Возможно.
Я просто не нашел литий-5 в таблице изотопов. Но исходя из принципа наименьшего дефекта масс можно получить:

р + ⁴He → ⁵Li - 1.966 МэВ

Так, что тоже не идет такая реакция в недрах очень даже Желтого Карлика.
Впрочем, хватит, пожалуй, о нем - обратимся к Красному Гиганту, у которого в недрах горит не водород, но уже гелий. Любопытно, что не идет прямая реакция горения "топливного шлака" от водородного цикла:

⁴He + ⁴He → ⁸Вe - 0.092 МэВ

Зато хорошо горит другая комбинация гелия:

⁴He + He → ⁷Вe + 1.586 МэВ (при Т > 4Q)
и следом: ⁷Вe + е⁻ → ⁷Li + 0,862 МэВ
а далее, уже в более глубоких слоях звездного ядра (при Т > 6Q):
⁴He + ⁷Li → В + 8.666 МэВ
и так далее...