Por que as estrelas se tornam gigantes vermelhos?

Disclaimer: Eu não sou um astrônomo de carreira. Eu não possuo um telescópio. Não tenho credenciais profissionais. Mas acho essas coisas fascinantes e consumo todos os documentários de astronomia que posso.

Então, eu assisti muitos documentários descrevendo a evolução estelar. Entendo que, abaixo de um certo limiar, a morte estelar não envolve supernovas. Entendo que, acima desse limiar, as supernovas podem criar estrelas de nêutrons, magnetares ou (se a supernova se qualificar como uma hipernova) buracos negros.

No entanto, durante muito tempo, fiquei curioso sobre por que estrelas abaixo do limiar da supernova - como o nosso próprio Sol - se tornam gigantes vermelhos.

Nos documentários, fui instruído que (para estrelas abaixo do limiar da supernova), quando a fusão do núcleo da estrela não pode continuar ... a fusão cessa e a estrela começa a colapsar sob a gravidade.

À medida que a gravidade esmaga a estrela, entendo que a estrela esquenta conforme a gravidade a esmaga. Como resultado, embora o núcleo estelar permaneça "morto" (não ocorre fusão), uma "concha" de gás ao redor do núcleo estelar fica quente o suficiente para começar a fundir hélio. Como a fusão ocorre como uma “concha” ao redor do núcleo estelar, o impulso externo da fusão é o que empurra ainda mais as camadas externas da estrela. O resultado é que a estrela cresce em um gigante vermelho.

Minha pergunta é a seguinte: Por que a fusão cessa no núcleo ?! Parece-me que, à medida que a gravidade esmaga a estrela, a fusão estelar se reacenderá no próprio núcleo - não numa esfera ao redor do núcleo. Por que o núcleo estelar permanece “morto” enquanto sua “concha” começa a fusão ???

(Isso é um pouco simplificado, mas espero que transmita a ideia.)

As reações param no núcleo porque ficam sem combustível. Durante a sequência principal, a estrela é suportada pela fusão de hidrogênio em hélio. Eventualmente, o hidrogênio acaba no centro, então a fusão de hidrogênio não é mais possível lá.

Por que ele não começa a fundir hélio em carbono imediatamente? Isso ocorre porque o núcleo ainda não está quente ou denso o suficiente. Diferentes reações dependem amplamente da presença de diferentes estados ressonantes nos núcleos e, no caso do hélio, esse estado não pode ser alcançado com freqüência suficiente até que a temperatura central seja de cerca de kelvin.$10^8$

Para aquecer, o núcleo precisa se contrair e aquecer. Eventualmente acontece (se a estrela é massiva o suficiente), mas isso não acontece instantaneamente. Lembre-se de que o gás ainda está quente e sob alta pressão, exercendo sobre si mesmo e seus arredores.

Enquanto isso, na borda do núcleo, a estrela (em parte como resultado da referida contração) é quente o suficiente para transformar hidrogênio em hélio, e assim o faz. Esta é exatamente a concha de queima nuclear que distingue a estrutura interna de um gigante vermelho.

Então, talvez pense dessa maneira. Imagine uma estrela no final da sequência principal. Onde está quente o suficiente para fundir hidrogênio em hélio? Em todos os lugares até a borda do núcleo! Ele se funde no núcleo? Não, porque está sem combustível. Então, onde é que se funde? Na borda do núcleo, que reconhecemos como a concha.

$M\sim1.4M_{sun}$

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

que por sua vez pode ser convertido em calor.

$10^7 K$$(1)$$(2)$existe um gradiente de temperatura nas estrelas parecidas com o Sol, o que significa que (além da coroa) a temperatura aumenta quando você vai de fora para o núcleo. Agora, se o núcleo estiver comprimido e ficar tão quente para queimar hélio, a concha "fora" do núcleo (que em um esquema semelhante a uma cebola estava dentro do raio do núcleo anterior de queima de hidrogênio), ainda estará quente o suficiente para queimar hidrogênio. O tamanho) A concha ainda possui hidrogênio suficiente, e a contemporânea é profunda o suficiente dentro da estrela (o que significa alta temperatura), para permitir a fusão nuclear de hidrogênio. Se a estrela fosse mais massiva, mais coisas poderiam acontecer, como fusão de elementos mais pesados ​​e conchas cada vez mais ardentes.

Dê uma olhada neles: Ref 1 , Ref 2 .

Ref 3 para alguns números também.

Para uma compreensão mais fundamental, é útil perceber as dificuldades de fundir o He-4 no C-12. Isso é chamado de processo Triplo-Alfa.

Quando dois núcleos He-4 (partículas alfa) têm energia suficiente para superar a barreira de Coulomb e têm suas seções transversais alinhadas, produz Be-8. O núcleo Be-8 é tão instável (devido a ser energeticamente favorável para os nucleons sujeitos serem organizados em duas partículas alfa) que possui uma meia-vida de cerca de 10 a 17 segundos, o que é surpreendentemente breve. Portanto, para produzir C-12, três partículas alfa precisam se unir quase instantaneamente, duas produzem Be-8 e nesse limiar de meia-vida um terço interage.

Reserve um momento para pensar em quão extremas devem ser as condições do núcleo para permitir que a probabilidade de três partículas alfa se juntem e interajam com sucesso quase instantaneamente e para que isso aconteça vezes suficientes para produzir a energia necessária para tirar o núcleo da degeneração. . A fusão do hélio leva cerca de 100 milhões de K para iniciar, em oposição aos 15 milhões de K do núcleo do sol (passando pela cadeia próton-próton por cerca de 99% das reações) no momento. Essa temperatura é fornecida tanto pela incrível pressão do núcleo degenerado quanto pela energia adicional fornecida pela concha.

A fusão da casca começa antes do processo do alfa-triplo porque, à medida que o núcleo se contrai e se degenera, há tanta energia sendo irradiada do núcleo que aquece as camadas circundantes imediatas até o ponto em que pode começar a fundir o H-to-He, de fato, é tão quente que a fusão de conchas ocorre pelo ciclo CNO.

As camadas externas da estrela se expandem rapidamente, pois há uma enorme quantidade de energia sendo irradiada para fora desta concha, que está se fundindo a uma temperatura muito mais quente do que o núcleo atual.

Acho que você é como eu e precisa mais da resposta de um leigo. Se você deseja uma explicação boa e fácil de entender sobre o que acontece, consulte "Formação e evolução do sistema solar" na Wikipedia e clique em 5.3 (O Sol e os ambientes planetários). Na verdade, o sol se expande duas vezes: uma vez quando o núcleo fica tão quente devido à fusão acelerada de hidrogênio (à medida que o núcleo do sol fica mais quente, o hidrogênio queima mais rápido) que o hidrogênio na concha ao redor do núcleo começa a se fundir (essa fusão de hidrogênio na concha é o que empurra as camadas externas para cerca de 1AU). Então, depois de cerca de 2 bilhões de anos. O núcleo atinge uma densidade / temperatura crítica (devido ao aumento da quantidade de hélio) que o hélio começa a fundir em carbono. Neste ponto, há um "flash" de hélio e o sol diminui para cerca de 11 vezes o tamanho original. O hélio no núcleo se funde em carbono por cerca de 100 milhões de anos até que o mesmo tipo de coisa aconteça (exceto que, desta vez, o hidrogênio e o hélio na concha ao redor do núcleo começam a se fundir, fazendo com que as camadas externas se expandam novamente. (ou "poluído" com carbono o suficiente para interromper o processo de fusão) e não há massa suficiente para iniciar a fusão do carbono, de modo que uma nebulosa planetária seja ejetada e a estrela comece a "morrer".

Eu sugiro que você leia este artigo em http://www.space.com/ .

Citando a partir dele:

A maioria das estrelas do universo são estrelas de seqüência principal - aquelas que convertem hidrogênio em hélio via fusão nuclear. Uma estrela da sequência principal pode ter uma massa entre um terço e oito vezes a do sol e eventualmente queimar através do hidrogênio em seu núcleo. Ao longo de sua vida, a pressão externa da fusão se equilibrou contra a pressão interna da gravidade. Uma vez que a fusão para, a gravidade assume a liderança e comprime a estrela menor e mais firme.

As temperaturas aumentam com a contração, chegando a níveis onde o hélio é capaz de se fundir em carbono. Dependendo da massa da estrela, a queima do hélio pode ser gradual ou começar com um flash explosivo. A energia produzida pela fusão do hélio faz com que a estrela se expanda para fora muitas vezes ao seu tamanho original.

EDIT: Wikipedia fornece mais algumas dicas:

Quando a estrela esgota o combustível de hidrogênio em seu núcleo, as reações nucleares não podem mais continuar e, portanto, o núcleo começa a se contrair devido à sua própria gravidade. Isso traz hidrogênio adicional para uma zona onde a temperatura e a pressão são adequadas para fazer com que a fusão seja retomada em uma concha ao redor do núcleo. As temperaturas mais altas levam ao aumento das taxas de reação, o suficiente para aumentar a luminosidade da estrela em um fator de 1.000 a 10.000. As camadas externas da estrela se expandem muito, iniciando assim a fase gigante vermelha da vida da estrela.

Minha pergunta é a seguinte: Por que a fusão cessa no núcleo ?! Parece-me que, à medida que a gravidade esmaga a estrela, a fusão estelar se reacenderá no próprio núcleo - não numa esfera ao redor do núcleo. Por que o núcleo estelar permanece “morto” enquanto sua “concha” começa a fusão ???

Nosso sol está na metade da sua "sequência principal" ou do estágio de fusão do hidrogênio. A fusão no núcleo de uma estrela faz parte do seu equilíbrio dinâmico .

• O campo gravitacional da estrela (produzido por sua massa) tende a comprimir sua massa em direção ao núcleo. Quanto mais comprimido o assunto, mais quente ele se torna.

• A liberação de energia produzida pela fusão de elementos no núcleo tende a dispersar a matéria para longe do núcleo. A dispersão da matéria do núcleo tende a reduzir sua temperatura.

O tamanho de uma estrela é devido, pelo menos em parte, ao equilíbrio dinâmico formado no qual as forças de compressão gravitacionais são iguais às forças expansivas produzidas pela fusão. Isso é chamado de equilíbrio hidrostático de uma estrela .

A quantidade de energia liberada em massa diminui à medida que os elementos mais pesados ​​são fundidos. A maior parte da energia é liberada para a fusão do hidrogênio, a menor é liberada pela fusão do hélio, e assim por diante. Eventualmente, é atingido um ponto (fusão de ferro) no qual a quantidade de energia necessária para fundir os elementos é maior que a energia liberada pela reação de fusão. Pensa-se que o núcleo de ferro de tais estrelas seja "não-fundido" porque, se o núcleo fosse aquecido a uma temperatura para permitir a fusão de ferro, energia insuficiente seria liberada da reação para manter a temperatura.

Nesse ponto, a estrela se torna cada vez mais incapaz de manter seu equilíbrio hidrostático, mesmo quando sua massa se condensa. O que acontece a seguir depende de quão massiva a estrela é e se o seu campo gravitacional é forte o suficiente para exceder a pressão de degeneração de elétrons de sua massa.