Mengapa bintang menjadi raksasa merah?

Penafian: Saya bukan astronom karier. Saya tidak punya teleskop. Saya tidak memiliki kredensial profesional. Tetapi saya menemukan hal ini menarik, dan saya mengkonsumsi semua film dokumenter astronomi yang saya bisa.

Jadi, saya telah menonton banyak film dokumenter yang menggambarkan evolusi bintang. Saya mengerti bahwa di bawah ambang batas tertentu, kematian bintang tidak melibatkan supernova. Saya mengerti bahwa di atas ambang batas itu, supernova dapat membuat bintang neutron, magnetar, atau (jika supernova memenuhi syarat sebagai hypernova) lubang hitam.

Namun, untuk waktu yang lama, saya ingin tahu mengapa bintang - bintang di bawah ambang batas supernova — seperti Matahari kita sendiri — menjadi Giants Merah.

Dari film dokumenter, saya telah diinstruksikan bahwa (untuk bintang di bawah ambang supernova), ketika fusi inti bintang tidak dapat melanjutkan ... fusi berhenti, dan bintang mulai runtuh karena gravitasi.

Ketika gravitasi menghancurkan bintang, saya mengerti bahwa bintang itu memanas ketika gravitasi menghancurkannya. Akibatnya, meskipun inti bintang tetap "mati" (tidak ada fusi terjadi), "shell" gas di sekitar inti bintang menjadi cukup panas untuk mulai melebur helium. Karena fusi terjadi sebagai "cangkang" di sekitar inti bintang, dorongan keluar dari fusi itulah yang mendorong lapisan luar bintang lebih jauh. Hasilnya adalah bintang itu tumbuh menjadi Raksasa Merah.

Pertanyaan saya adalah ini: Mengapa fusi berhenti pada intinya ?! Tampak bagi saya bahwa ketika gravitasi menghancurkan bintang, fusi bintang akan menyalakan kembali inti itu sendiri — bukan dalam bola di sekeliling inti. Mengapa inti bintang tetap "mati" sementara "cangkangnya" mulai menyatu ???

(Ini agak disederhanakan tapi saya harap ini bisa menjelaskannya.)

Reaksi berhenti di inti karena kehabisan bahan bakar. Selama sekuens utama, bintang didukung oleh fusi hidrogen menjadi helium. Akhirnya, hidrogen habis di tengah, sehingga fusi hidrogen tidak lagi mungkin terjadi di sana.

Mengapa ia tidak langsung menggabungkan helium menjadi karbon? Itu karena intinya belum cukup panas atau padat. Reaksi yang berbeda secara luas bergantung pada adanya keadaan resonansi yang berbeda di dalam nuklei dan, dalam kasus helium, keadaan seperti itu tidak dapat dicapai cukup sering sampai suhu inti sekitar kelvin.$10^8$

Untuk mendapatkan panas itu, inti harus berkontraksi dan memanas. Pada akhirnya itu terjadi (jika bintangnya cukup besar) tetapi itu tidak terjadi secara instan. Ingatlah bahwa gas masih panas dan pada tekanan tinggi, yang diberikan pada dirinya sendiri dan sekitarnya.

Sementara itu, di tepi inti, bintang (sebagian sebagai akibat dari kontraksi kata) adalah cukup panas untuk mengubah hidrogen menjadi helium, sehingga ia melakukannya. Ini persis shell pembakaran nuklir yang membedakan struktur internal raksasa merah.

Jadi mungkin pikirkan seperti ini. Bayangkan sebuah bintang di akhir urutan utama. Di mana itu cukup panas untuk memadukan hidrogen menjadi helium? Di mana-mana hingga ke tepi inti! Apakah itu melebur di inti? Tidak, karena kehabisan bahan bakar. Jadi di mana ia melebur? Di tepi inti, yang kami kenali sebagai cangkang.

Nasib bintang pada dasarnya tergantung pada massanya. Semua variasi kegiatannya tergantung pada massanya. Jika inti bintang memiliki massa yang di bawah batas Chandraseckhar ( ), maka ditakdirkan untuk mati sebagai katai putih (atau, sebenarnya, sebagai katai hitam pada akhirnya). The Komposisi dari kerdil putih, juga tergantung pada massa asli dari bintang. Massa yang berbeda akan menghasilkan komposisi yang berbeda pula. Lebih tepatnya, semakin besar bintang, semakin berat unsur yang menyusun objek akhir. Ini karena lebih banyak massa berarti lebih banyak energi potensial gravitasi$M\sim1.4M_{sun}$

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

yang pada gilirannya dapat diubah menjadi panas.

Hidrogen fusi nuklir dimulai, untuk reaksi proton-proton (yang adalah proses dominan untuk Sun-seperti bintang) di sekitar . Ini adalah nilai yang memungkinkan partikel untuk mengatasi penghalang coulombian mereka (yaitu, untuk sekering ). Setelah fusi hidrogen, ketika sebagian besar inti tersusun oleh helium, maka tentu saja fusi hidrogen tidak dapat terjadi lagi. Inti mulai runtuh, dan memanaskan dirinya sendiri. Untuk bintang seperti Matahari, ada cukup banyak massa untuk mengompres hingga tingkat yang cukup panas untuk memulai pembakaran He. Tapi itu saja. Ketika juga Helium diubah menjadi Karbon, bintang tidak memiliki cukup massa untuk mengompres lagi ke tingkat yang memulai reaksi fusi nuklir lain. Inilah sebabnya mengapa reaksi inti nuklir berhenti$10^7 K$. Untuk pertanyaan pembakaran shell, penting untuk memahami dua hal: struktur kulit bintang hanya perkiraan, dan ada gradien suhu di dalam bintang mirip Matahari, yang berarti bahwa (di samping corona) suhu meningkat ketika Anda pergi dari luar ke inti. Sekarang, jika inti dikompresi dan menjadi sangat panas untuk membakar helium, cangkang "di luar" inti (yang dalam skema seperti bawang berada dalam radius inti pembakaran hidrogen sebelumnya), masih cukup panas untuk membakar hidrogen. The ukuran dari inti helium-pembakaran lebih kecil dari inti hidrogen pembakaran (ini adalah kompresi dengan definisi$(1)$$(2)$). Shell masih memiliki cukup hidrogen, dan kontemporer cukup dalam di dalam bintang (yang berarti suhu tinggi), untuk memungkinkan fusi nuklir hidrogen. Jika bintang itu lebih masif, lebih banyak hal bisa terjadi, seperti elemen fusi inti yang lebih berat, dan semakin banyak cangkang yang terbakar.

Lihatlah ini: Ref 1 , Ref 2 .

Ref 3 untuk beberapa nomor juga.

Untuk pemahaman yang lebih mendasar, akan sangat membantu untuk menyadari kesulitan menggabungkan He-4 ke C-12. Ini disebut proses Triple-Alpha.

Ketika dua inti He-4 (partikel alfa) memiliki energi yang cukup untuk diatasi pada penghalang Coulomb dan memiliki potongan melintangnya, itu menghasilkan Be-8. Inti Be-8 sangat tidak stabil (karena secara energik menguntungkan bagi nukleon subjek diatur dalam dua partikel alfa) sehingga memiliki waktu paruh sekitar 10 ^ -17 detik yang luar biasa singkat. Oleh karena itu, untuk menghasilkan C-12, tiga partikel alfa harus bersatu hampir secara instan, dua menghasilkan Be-8 dan dalam ambang paruh waktu, sepertiga berinteraksi.

Luangkan waktu sejenak untuk memikirkan betapa ekstrimnya kondisi inti harus memungkinkan probabilitas tiga partikel alfa untuk bersatu dan berhasil berinteraksi hampir secara instan dan agar terjadi cukup waktu untuk menghasilkan energi yang diperlukan untuk membawa inti keluar dari degenerasi . Fusi Helium membutuhkan sekitar 100 juta K untuk memulai sebagai lawan dari 15 juta K inti matahari (menjalani rantai proton-proton untuk sekitar 99% reaksi) pada saat ini. Temperatur ini disediakan baik oleh tekanan luar biasa dari inti yang merosot dan oleh energi tambahan yang dipasok oleh cangkang.

Shell fusion dimulai sebelum proses triple-alpha karena ketika inti berkontraksi dan menjadi merosot, ada begitu banyak energi yang dipancarkan dari inti sehingga memanaskan lapisan sekitarnya langsung ke titik di mana ia dapat mulai melebur H-to-He, sebenarnya sangat panas sehingga fusi shell adalah oleh siklus CNO.

Lapisan terluar bintang berkembang pesat karena ada sejumlah besar energi yang terpancar dari cangkang ini, yang melebur pada suhu yang jauh lebih panas daripada inti saat ini.

Saya pikir Anda seperti saya dan membutuhkan lebih banyak jawaban awam. Jika Anda menginginkan penjelasan yang baik, mudah dimengerti tentang apa yang terjadi lihatlah "Formasi dan Evolusi Tata Surya" di Wikipedia, lalu klik 5.3 (Matahari dan lingkungan planet). Matahari sebenarnya akan mengembang dua kali: Suatu ketika ketika inti menjadi sangat panas dari percepatan hidrogen yang dipercepat (ketika inti matahari semakin panas hidrogen membakar lebih cepat) bahwa hidrogen dalam kulit di sekitar inti mulai melebur (fusi hidrogen dalam shell ini adalah apa yang mendorong lapisan luar ke sekitar 1AU). Kemudian setelah sekitar 2 milyar tahun. Inti mencapai kerapatan / suhu kritis (karena meningkatnya jumlah helium) yang mulai melebur menjadi karbon. Pada titik ini, ada helium "flash" dan matahari menyusut kembali ke sekitar 11 kali ukuran aslinya. Helium di inti melebur menjadi karbon selama sekitar 100 juta tahun sampai hal yang sama terjadi (kecuali kali ini hidrogen dan helium di dalam shell di sekitar inti mulai melebur menyebabkan lapisan luar mengembang lagi. Ini setelah helium mulai digunakan naik (atau "tercemar" dengan karbon yang cukup untuk menghentikan proses fusi) dan tidak ada cukup massa untuk memulai fusi karbon sehingga nebula planet dikeluarkan dan bintang mulai "mati".

Saya sarankan Anda untuk membaca artikel ini di http://www.space.com/ .

Mengutip dari itu:

Sebagian besar bintang di alam semesta adalah bintang sekuens utama - yang mengubah hidrogen menjadi helium melalui fusi nuklir. Bintang sekuens utama mungkin memiliki massa antara sepertiga hingga delapan kali matahari dan akhirnya membakar hidrogen di intinya. Selama hidupnya, tekanan fusi luar telah seimbang terhadap tekanan gravitasi dari dalam. Setelah fusi berhenti, gravitasi memimpin dan mengkompresi bintang yang lebih kecil dan lebih rapat.

Temperatur meningkat dengan kontraksi, akhirnya mencapai tingkat di mana helium mampu melebur menjadi karbon. Tergantung pada massa bintang, pembakaran helium mungkin bertahap atau mungkin dimulai dengan flash eksplosif. Energi yang dihasilkan oleh fusi helium menyebabkan bintang mengembang ke luar hingga berkali-kali ukuran aslinya.

EDIT: Wikipedia memberikan beberapa wawasan lebih lanjut:

Ketika bintang kehabisan bahan bakar hidrogen di intinya, reaksi nuklir tidak bisa lagi berlanjut dan inti mulai berkontraksi karena gravitasinya sendiri. Ini membawa hidrogen tambahan ke zona di mana suhu dan tekanan memadai untuk menyebabkan fusi untuk melanjutkan di shell di sekitar inti. Semakin tinggi suhu menyebabkan meningkatnya laju reaksi, cukup untuk meningkatkan luminositas bintang dengan faktor 1.000-10.000. Lapisan terluar bintang kemudian mengembang sangat besar, sehingga memulai fase raksasa merah kehidupan bintang.

Pertanyaan saya adalah ini: Mengapa fusi berhenti pada intinya ?! Tampak bagi saya bahwa ketika gravitasi menghancurkan bintang, fusi bintang akan menyalakan kembali inti itu sendiri — bukan dalam bola di sekeliling inti. Mengapa inti bintang tetap "mati" sementara "cangkangnya" mulai menyatu ???

Matahari kita sekitar setengah dari "urutan utama" atau tahap peleburan hidrogen. Fusi dalam inti bintang adalah bagian dari keseimbangan dinamisnya .

• Medan gravitasi bintang (dihasilkan oleh massanya) cenderung memampatkan massanya ke arah inti. Semakin terkompresi masalah, semakin panas jadinya.

• Pelepasan energi yang dihasilkan oleh perpaduan unsur-unsur pada inti cenderung membubarkan materi dari inti. Dispersi materi dari inti cenderung mengurangi suhunya.

Ukuran bintang disebabkan karena itu, setidaknya sebagian, oleh keseimbangan dinamis yang terbentuk di mana gaya tekan gravitasi sama dengan gaya ekspansif yang dihasilkan fusi. Ini disebut keseimbangan hidrostatik bintang .

Jumlah energi yang dilepaskan berdasarkan per-massa menurun karena elemen yang lebih berat menyatu. Sebagian besar energi dilepaskan untuk hidrogen fusi, lebih sedikit dilepaskan oleh fusi helium, dan sebagainya. Akhirnya, suatu titik tercapai (fusi besi) di mana jumlah energi yang dibutuhkan untuk memadukan unsur-unsur lebih besar daripada energi yang dilepaskan oleh reaksi fusi. Inti besi dari bintang-bintang tersebut dianggap "non-sekering" karena jika inti dipanaskan pada suhu yang memungkinkan fusi besi, energi yang tidak mencukupi akan dilepaskan dari reaksi untuk menjaga suhu.

Pada titik ini, bintang menjadi semakin tidak mampu mempertahankan keseimbangan hidrostatiknya, bahkan ketika massanya mengembun. Apa yang terjadi selanjutnya tergantung pada seberapa besar bintang itu dan apakah medan gravitasinya cukup kuat untuk melampaui tekanan degenerasi elektron dari massanya.