Quando uma estrela atinge a fase gigante vermelha, por que ela se torna mais opaca?

Por favor, consulte esta resposta do Quora:

... uma estrela se tornará um gigante vermelho antes de começar a queimar hélio. De fato, ele irá inchar em um gigante vermelho enquanto ainda queima hidrogênio em uma concha na superfície do núcleo de hélio. A queima de conchas, no entanto, libera mais energia do que a queima de um núcleo, mas mesmo isso não faria com que a estrela se tornasse um gigante vermelho, pois poderia brilhar mais. O verdadeiro culpado é a combinação da maior taxa de produção de energia E de que a estrela tem uma maior opacidade nessa fase da vida. Isso produz uma crise energética em que a energia não pode escapar radiativamente rápido o suficiente e a convecção teria que ser supersônica para reequilibrar a estrela. Como a convecção supersônica é altamente desfavorecida (ou seja, impossível), a estrela se expande bastante a ponto de o fluxo de energia na concha em chamas corresponder ao fluxo de energia na superfície agora muito maior novamente.

Esta é uma das melhores explicações que eu encontrei sobre como as estrelas passam para gigantes vermelhos. No entanto, a seção em negrito é confusa para mim: por que a estrela se tornaria mais opaca e o que causa isso?

Existem algumas respostas nesta palestra e esta, embora mesmo lá o autor admita que toda a história seja complicada e não perfeitamente conhecida.

Parece que a queima da concha e a contração do núcleo da estrela que não queima mais causam alguma expansão das camadas externas (isso é descrito como o "princípio do espelho" e parcialmente explicado na lição 12 (seção 12.4).) esfriar até que os íons H- se formem neles (cerca de 5000 K.) Eles interagem com a luz muito mais que átomos de hidrogênio neutros ou prótons nus (H +), o que explica o aumento da opacidade.

A verdadeira razão pela qual as estrelas incham em gigantes vermelhos não se deve a alterações de opacidade, mas à criação de um núcleo degenerado de hélio não fundido no centro. Esse núcleo degenerado tem uma forte gravidade, o que determina uma alta temperatura na concha de fusão de hidrogênio que fica sobre ele. Isso é muito importante, porque quando uma estrela está passando por uma fusão nuclear como o nosso Sol, a taxa de fusão se auto-regula ajustando a temperatura. Mas quando a temperatura é ditada pela gravidade do núcleo degenerado, ela tende a ser bastante alta e a taxa de fusão, incapaz de se auto-regular, fica louca. Algo tem que dar, porque, como dito acima, há uma crise de energia.

O que dá é que a taxa de geração de energia faz com que o envelope se expanda, o que eleva o peso da casca de fusão. Isso reduz sua densidade e a quantidade de gás em fusão. Assim, diferentemente da fusão central, que auto-regula sua temperatura, a fusão de cascas auto-regula sua quantidade de massa, retirando o peso. Mas para retirar uma quantidade tão grande de peso requer uma expansão muito significativa do envelope, logo um gigante vermelho.

A opacidade do H menos perto da superfície controla exatamente o tamanho da estrela, porque uma vez que a massa é levantada, não importa muito para a concha exatamente o quão longe ela é levantada. Mas isso importa para a capacidade da estrela de irradiar essa energia para o espaço, de modo que controla o raio da estrela, simplesmente não é o que torna esse raio grande em primeiro lugar. Portanto, a razão pela qual o envelope se expande não tem nada a ver com opacidade, as mudanças de opacidade entram em cena após uma expansão significativa já ter ocorrido e controlam onde a superfície estelar acaba. Se a opacidade estelar não mudasse, ainda assim seria uma estrela gigante, mas não exatamente o mesmo raio.