Original: http://faculty.wcas.northwestern.edu/~infocom/The%20Website/evolution.html
Навигации
Введение
Материя под давлением
Рождение Солнца
Эволюция солнца
Конец солнца
Как Большие звезды эволициоруют
Тип II – Другая Сверхновая
После Сверхновой
Диаграмма Герцшпрунга-Рассела (так же известная как основная последовательность)
Большинство звезд – довольно простые вещи. Они бывают разных размеров и температур, но подавляющее большинство может быть охарактеризовано только двумя параметрами: их массой и их возрастом. (Химический состав также имеет некоторое влияние, но недостаточно, чтобы изменить общую картину того, что мы будем обсуждать здесь. Все звезды составляют около трех четвертей водорода и четверти гелия, когда они рождаются.)
Зависимость от массы возникает из-за того, что явный вес массы звезды определяет ее центральное давление, которое, в свою очередь, определяет скорость его ядерного горения (более высокое давление = больше столкновений = больше энергии), а полученная энергия слияния – это то, что управляет температурой звезды . В общем, чем массивнее звезда, тем ярче и жарче она должна быть. Также имеет место то, что давление газа на любой глубине звезды (которое также зависит от температуры на этой глубине) должно уравновешивать вес газа над ним. И, наконец, конечно, полная энергия, генерируемая в ядре, должна быть равна полной энергии, излучаемой на поверхности.
Последнее обстоятельство порождает еще одно ограничение, так как энергетическое излучение сферы, подвешенной в вакууме, подчиняется закону, известному как уравнение Стефана-Больцмана:
L = C R2 T4 (Суммарная светимость горячего шара)
Здесь L – светимость звезды, C – постоянная1, R – радиус звезды в метрах, T – температура поверхности звезды в K °. Обратите внимание, как быстро энергия, излучаемая звездой, растет с T: удвоение температуры приводит к увеличению ее мощности в 16 раз.
Говорят, что звезда, которая отвечает всем этим ограничениям, находится в гидростатическом равновесии. Положительный эффект имеет гидростатическое равновесие, которое делает звезды устойчивыми. Если сердцевина звезды сжата, сжатие вызывает ядерное горение, которое вырабатывает больше тепла, что вызывает давление и заставляет звезду расширяться. Он возвращается к равновесию. Аналогично, если ядро звезды должно быть декомпрессировано, то ядерное сжигание уменьшается, что охлаждает звезду и снижает давление, и, следовательно, звезда сжимается и снова возвращается в равновесие. Энергетическая мощность Солнца не изменилась более чем на 0,1-0,2% за всю историю человечества – неплохо для ядерного реактора, который не имеет регулирующего комитета, инженеров и почти пять миллиардов лет не имел проверки безопасности .
Тесная взаимосвязь температуры, давления, массы и скорости ядерного горения означает, что звезда данной массы и возраста может достичь только гидростатического равновесия при одном наборе значений. То есть, каждая звезда в нашей галактике с такой же массой и возрастом, что и Солнце, имеет тот же диаметр, температуру и выход энергии. Нет другого способа сбалансировать все. Если создать очень жесткий график астрофизики, известный как диаграмма Герцшпрунга-Рассела (краткая диаграмма H-R), связь между массой звезды и другими ее свойствами становится более ясной. Диаграмма H-R показана на рисунке 1.
 |
||||
| Диаграмма H-R отображает набор звезд и отображает их светимости (относительно Солнца) по сравнению с их температурами поверхности. Обратите внимание, что температурный масштаб на диаграмме H-R на рисунке 1 идет назад, справа налево, и что ось яркости сильно сжата. (Исторически сложилось, что именно так была построена первая диаграмма ЧСС, так что теперь все они есть.) Когда сделано для большой выборки звезд, мы обнаружим, что подавляющее большинство звезд падает вдоль одиночной, удивительно узкой полосы, которая проходит от Снизу-справа на верх-левый: то есть от тусклого и красного до яркого и раскаленного добела. Астрономы называют эту полосу Главной Последовательностью, и, следовательно, любая звезда вдоль полосы называется звездой главной последовательности.
Основная последовательность существует именно из-за негибкой природы гидростатического равновесия. Звезды с очень малыми массами (всего 7,5% от Солнца) лежат в правом нижнем углу диаграммы H-R. Они должны лежать в правом нижнем углу. Эта часть диаграммы H-R соответствует чрезвычайно низкой светимости – всего в десять тысяч раз по сравнению с Солнцем – и низкой температуре поверхности, что эквивалентно тусклому оранжево-желтому свечению расплавленного металла. Этим звездам не хватает массы для создания давления, необходимого для ускорения ядерного горения в их ядрах. Звезды с большой массой (более 40 солнечных масс) находятся в верхнем левом углу, как и должны. В отличие от звезд с малой массой, их огромные массы и высокие центральные давления порождают гигантов, которые могут быть в 160 000 раз более светлыми, чем Солнце, и настолько горячими, что они выделяют больше энергии в ультрафиолете, чем в видимом свете. Солнце находится почти точно на полпути между этими крайностями, и, следовательно, оно не является ни очень тусклым, ни очень ярким, как звезды. Он светится ярким желтовато-белым цветом. Характер «один к одному» между массой и гидростатическим равновесием означает, что, поскольку вы меняете массу звезды, все, что вы можете сделать, это скользить вдоль одной заранее заданной траектории по всем ее другим физическим свойствам. Этот трек – это именно основная последовательность. Но теперь, когда я сказал это, второй взгляд на диаграмму H-R показывает, что есть небольшое количество звезд, отличных от главной последовательности: они сосредоточены в «островах» в верхнем правом и нижнем левом. Поскольку звезды в верхнем правом углу очень светлые, но тем не менее имеют прохладные красноватые поверхности, астрономы называют их красными гигантами. Аналогичным образом, поскольку звезды в нижнем левом углу очень тусклые, но также раскаленные добела, их называют белыми карликами. Мы уже встречались с белыми карликами теоретически. Теперь давайте посмотрим, откуда происходят настоящие. Красные гиганты и белые гномыКрасные гиганты и белые карлики возникают потому, что звезды, как и люди, меняются с возрастом и в конечном итоге умирают. Для людей причиной старения является ухудшение биологических функций. Для звезды причина заключается в неизбежном энергетическом кризисе, когда на нем начинает заканчиваться ядерное топливо. С момента своего рождения 4,5 миллиарда лет назад яркость Солнца очень мягко увеличилась примерно на 30% [3]. Это неизбежная эволюция, которая возникает из-за того, что по прошествии миллиардов лет Солнце сжигает водород в своем ядре. «Пепел» гелия, оставленный позади, плотнее водорода, поэтому смесь водорода и гелия в ядре Солнца очень медленно становится более плотной, повышая тем самым давление. Это заставляет ядерные реакции немного нагреваться. Солнце светлеет. Сначала этот процесс осветления движется очень медленно, когда еще осталось достаточно большого количества водорода, чтобы сжечь его в центре звезды. Но в конечном итоге ядро настолько истощается от топлива, что его производство энергии начинает падать независимо от возрастающей плотности. Когда это происходит, плотность сердечника начинает возрастать еще больше, потому что без источника тепла, чтобы помочь ему противостоять гравитации, единственный возможный способ реагирования сердечника заключается в сокращении до тех пор, пока его внутреннее давление не будет достаточно высоким, чтобы удерживать вес Вся звезда. Причудливо, это опорожнение центрального топливного бака делает звезду более яркой, а не более тусклой, потому что интенсивное давление на поверхности ядра заставляет водород там гореть еще быстрее. Это более чем компенсирует провисание от истощенного топлива центра. Осветление звезды не только продолжается, но и ускоряется. Солнце находится на полпути через очень длительный процесс перехода от режима, в котором водород сжигается в ядре в центре, до режима, в котором водород будет сжигаться в сферической оболочке, обернутой вокруг сильно горячего, очень плотного, но довольно Инертного, гелиевого ядра. Как только он перейдет от сжигания керна до сжигания оболочки, он будет входить в свои сумеречные годы. По мере того, как растет гелиевое ядро, расширяется и оболочка для горения водорода, что делает Солнце ярче даже при зловещем увеличении скорости, с которой происходит накопление гелия на ядре. Растущее ядро сжигает водородный водород Солнца еще быстрее, что, в свою очередь, только увеличивает ядро быстрее. . . . Короче говоря, в конце концов, ядерная печь в центре каждой звезды начинает перегреваться. Чтобы наложить цифры на это, когда Солнце сформировалось 4,5 миллиарда лет назад, оно было на 30% меньше, чем в настоящее время. В конце следующего 4,8 миллиарда лет Солнце будет на 67% ярче, чем сейчас. Через 1,6 миллиарда лет после этого светимость Солнца вырастет до летального 2,2 Ло. (Ло = настоящее Солнце). Земля к тому времени будет обжигаться до обнаженной скалы, ее океаны и вся ее жизнь сгубится надвигающимся Солнцем, которое будет на 60% больше, чем в настоящее время.4 Температура поверхности на Земле будет Должно превышать 600 F °. Но даже эта версия Солнца остается стабильной и золотой по сравнению с тем, что должно произойти. Примерно в 7,1 млрд. Н.э. Солнце начнет развиваться так быстро, что оно перестанет быть звездой главной последовательности. Его положение на диаграмме H-R начнет смещаться от того места, где оно находится сейчас, недалеко от центра, в направлении верхнего правого угла, где живут красные гиганты. Это объясняется тем, что гелиевое ядро Солнца со временем достигнет критической точки, где давление от нормальных газов не сможет удержать нагрузка на дробящий груз (даже не газы, нагретые до десятков миллионов градусов). Крошечное зерно вырожденной электронами материи начнет расти в центре Солнца. Детали этого перехода подвержены дебатам, но теоретические расчеты показывают, что он начнется, когда инертный гелий-ядро Солнца достигнет примерно 13% солнечной массы или около 140 юпитеров. В этот момент его жизни Солнце станет непослушным. Механизм, который медленно делал его ярче в течение последних одиннадцати миллиардов лет – большее давление в сердцевине, дающее более горячее ядерное сжигание, дающее больше гелия для увеличения ядра, теперь ускоряется до катастрофических уровней благодаря постоянно увеличивающемуся вырождению электронов. Через 500 миллионов лет после того, как он достигнет критической точки, яркость Солнца достигнет 34 Ло, огненно достаточно, чтобы создать светящиеся озера из расплавленного алюминия и меди на поверхности Земли. Всего за 45 миллионов лет он достигнет 105 Lo, а через 40 миллионов лет он перескочит до невероятного 2300 Lo. К этому времени огромная энергия Солнца заставит ее внешние слои раздуться в обширную, но очень разреженную атмосферу, по крайней мере размером орбиты Меркурия и, возможно, величиной с орбиту Венеры. (Подумайте, как сильно вода ведет себя в кастрюле с быстро кипящей водой по сравнению с тем, что в нежно кипящем горшке. Это аналогично тому, почему атмосфера Солнца «кипит» вовне, так как ее ядро становится жарче.) 5 Огромные размеры Солнечная атмосфера и огромная тепловая мощность Солнца означают, что: # 1) Земля к этому моменту сгорает до нуля, если не испарится полностью – расчеты показывают, что она могла идти в любом случае – и # 2) солнечная атмосфера будет относительно прохладной, несмотря на огромный выход энергии Солнца. Таким образом, Солнце будет как красного цвета, так и необычайно светящегося. Он присоединится к красным великанам. (См. Рисунок 2).
|
