Bagaimana raksasa merah bisa tumbuh begitu besar?

Seharusnya ketika matahari menjadi raksasa merah, ia akan tumbuh cukup besar untuk menelan Bumi.

Namun, ini membutuhkan jari-jari matahari untuk mengembang dengan faktor sekitar 215 ×, artinya volumenya harus mengembang 10.000.000 ×.

Mungkin hanya saya, tetapi sesuatu tentang ini tidak terasa intuitif :-) terutama mengingat bahwa matahari tidak mendapatkan banyak massa. Tepatnya bagaimana dengan elemen fusi yang lebih berat daripada hidrogen menyiratkan bahwa reaktan dan / atau produk mengambil 10.000.000 × volume sebanyak Tidak ada yang pernah menjelaskan hal ini ketika menjelaskan bintang seumur hidup, dan saya tidak mengerti mengapa itu harus terjadi. (Sebenarnya, saya akan mengharapkan fusi menghasilkan penurunan volume, mengingat bahwa inti menggabungkan ...)

Edit:

Tampaknya ada 2 jenis raksasa merah, beberapa yang terjadi selama fusi hidrogen, beberapa helium.
Jika jawabannya berbeda untuk kedua jenis ini, setidaknya saya ingin tahu jawaban untuk jenis helium (meskipun tentu saja saya menghargai yang lebih jauh dan membahas keduanya).

Dalam pikiran saya, tidak ada penjelasan yang benar-benar membahas alasan sebenarnya mengapa raksasa merah berkembang. Memang, subjek ini tampak seperti area di mana orang hanya membuat apa pun yang kedengarannya masuk akal, tetapi seringkali cukup salah (Fraser Cain menyebutkan tekanan ringan dan volume yang lebih tinggi pada cangkang peleburan, tetapi tekanan cahaya tidak memainkan peran sama sekali, dan volume cangkang tidak jauh berbeda dari inti, yang jauh lebih kecil dari inti Matahari). Jadi mari kita luruskan ceritanya.

Banyak uraian yang memasukkan beberapa elemen kunci, termasuk fakta bahwa Anda memiliki cangkang fusi hidrogen yang terjadi di atas inti helium yang merosot. Tetapi alasan utama untuk ekspansi adalah bahwa cara cangkang ini mengatur sendiri laju fusinya sedikit berbeda dari cara inti Matahari mengatur fusi sendiri sekarang.

Sekarang, inti Matahari mengatur sendiri laju peleburannya agar sesuai dengan laju bahwa energi (dalam bentuk cahaya) menyebar keluar melalui massa Matahari. Cara melakukan ini pada dasarnya sama di semua bintang sekuens utama: mereka mengatur suhu inti mereka, itulah sebabnya suhu inti bintang sekuens utama lebih bercahaya sedikit lebih tinggi. Tapi ini sama sekali bukan cara cangkang melebur dalam raksasa merah mengatur sendiri laju fusinya - ia tidak dapat mengatur suhunya, karena suhunya diserahkan kepadanya oleh gravitasi dari inti yang merosot yang didudukinya. (Ini mengatur suhu melalui teorema virial, itu adalah cara kunci inti yang mengalami degenerasi mempengaruhi cangkang - ia mengatur suhunya.) Karena shell tidak mengatur suhunya sendiri, suhunya cenderung cukup tinggi, terutama karena inti bertambah massa (inilah sebabnya luminositas naik seiring waktu). Fusi sangat sensitif terhadap suhu, sehingga terjebak dengan suhu yang sangat tinggi membuat laju fusi pergimengamuk . Sisa bintang tidak dapat mendukung laju fusi spektakuler ini, jadi sesuatu yang lain terjadi.

Bintang membusung, dan dengan demikian, kita menemukan cara cangkang mengatur laju fusi sendiri: ia mengangkat berat dari cangkang . Itu mengurangi tekanan dalam cangkang, yang mengkompensasi suhu tinggi dan membawa tingkat fusi turun ke apa yang dapat dikelola oleh bintang lainnya (yang diatur oleh laju cahaya yang dapat berdifusi melalui cangkang). Jadi ada alasan sebenarnya - bintang itu harus menemukan cara untuk mengangkat beban dari cangkang bersuhu tinggi gila untuk menjaga laju fusi dari kacang-kacangan, tetapi hasilnya adalah bahwa tingkat fusi masih cukup tinggi, dan semakin tinggi seperti massa inti naik, memaksa suhu cangkang semakin tinggi dan memaksa bintang untuk semakin mengembang.

Ada uraian yang bagus di sini . Ingat bahwa bintang terbuat dari gas (plasma baik jika Anda ingin pilih-pilih), sehingga tidak memiliki volume yang tetap. Begitu fusi dimulai, sebuah bintang akan mengembang hingga mencapai ukuran di mana ia dapat menyeimbangkan jumlah energi yang dihasilkan oleh fusi dengan jumlah yang terpancar dari permukaan. Jika terlalu kecil, itu akan memanas, menyebabkan ekspansi yang (tergantung pada bagian mana dari bintang yang mengembang) akan mengurangi energi yang dihasilkan dan meningkatkan jumlah yang terpancar. Pemahaman yang lebih rinci tentang hal ini membutuhkan melacak bagaimana suhu dan kepadatan bervariasi dengan kedalaman bintang.

Dalam raksasa merah, energi diproduksi bukan di dalam inti, tetapi di dalam sebuah cangkang bundar yang mengelilingi inti (karena inti memiliki lebih atau kurang kehabisan bahan bakar). Ini sebenarnya volume yang lebih besar, sehingga lebih banyak energi yang diproduksi. Bintang mengembang hingga dapat memancarkan semua energi itu.

Saya menemukan deskripsi dengan matematika dalam jumlah sedangterutama di sekitar halaman 132. Jadi satu hal adalah Anda memiliki inti helium, dengan fusi hidrogen terjadi di luarnya. Itu berarti ada lebih sedikit massa "di atas" lapisan fusi, sehingga fusi sebenarnya terjadi pada tekanan yang lebih rendah daripada ketika itu terjadi di inti. Itu membutuhkan suhu yang lebih tinggi di lapisan itu, dan ketika Anda melakukan persamaan, total output energi yang jauh lebih tinggi. Aliran energi itu, baik sebagai radiasi atau konveksi mencapai lapisan luar bintang, dan pada awalnya memanaskannya, menyebabkannya mengembang (karena gravitasi bintang kurang lebih tidak berubah sehingga tidak dapat menariknya ke bawah lebih keras). Dalam ekspansi, mereka mendingin, yang berarti mereka menjebak radiasi lebih banyak (gas dingin kurang transparan) dan memancarkan radiasi lebih sedikit, dan mereka dipanaskan lagi dan mengembang lagi. Ini berlanjut sampai titik keseimbangan ditemukan (atau tidak, untuk bintang-bintang yang jauh lebih besar daripada matahari yang dapat meledakkan sebagian besar massanya dengan cara ini) dan ketika Anda menghitungnya, ternyata keseimbangan ini membutuhkan bintang yang sangat besar. Mungkin salah satu cara untuk memikirkannya adalah bahwa sebuah bintang yang jauh lebih kecil dari matahari perlahan-lahan padam. Bintang yang jauh lebih masif daripada sub meledak. Matahari siap di antara keduanya, sehingga "hampir meledak" tetapi berhenti ketika lapisan luarnya menjadi sangat besar.

Satu komentar tambahan adalah bahwa kepadatan di bagian atas raksasa merah cukup rendah - menurut standar kami itu adalah vakum yang layak, terkontaminasi dengan gas merah-panas. Namun karena bintang itu begitu besar, ia masih buram, jadi kami menghitungnya sebagai bagian dari bintang itu.

Ukuran bintang dalam keseimbangan adalah keseimbangan kekuatan, tekanan yang dihasilkan oleh plasma panas, dipanaskan oleh reaksi nuklir di inti, diimbangi oleh gravitasi.

Tingkat fusi sangat dipengaruhi oleh suhu. Tingkatkan suhu sedikit dan Anda mendapatkan lebih banyak energi keluar. Ketika inti kehabisan hidrogen, ia mulai runtuh dan memanas, membentuk inti helium degenerasi inert yang dikelilingi oleh cangkang hidrogen yang terbakar dengan cepat. Pada keseimbangan baru ini, lebih banyak energi dilepaskan. Umpan balik positif ini berarti bahwa apa yang tampak seperti perubahan kecil (inti menjadi cangkang terbakar) memiliki efek besar pada output energi bintang.

Sekarang ketika sebuah bintang berevolusi, ia mengeluarkan lebih banyak energi per detik. Aldebaran menghasilkan energi 500 kali lebih banyak per detik daripada matahari, meskipun hanya sedikit lebih besar.

Sekarang ini memang menyebabkan bintang bertambah besar, tetapi ketika bintang bertambah besar, lapisan terluar lebih jauh dari pusat gravitasi, dan dengan demikian gaya gravitasi pada mereka berkurang, sesuai dengan hukum kuadrat terbalik. Dengan gravitasi yang kurang, pertumbuhan ukuran diperkuat. Jadi peningkatan besar dalam kekuatan menjadi peningkatan besar dalam ukuran. Inilah sebabnya mengapa pertumbuhan dalam ukuran jauh lebih besar daripada yang diprediksi oleh intuisi sederhana tentang ekspansi gas panas.

Pada tahap akhir evolusi bintang, ukuran bintang tumbuh tanpa batas, karena gravitasi bintang tidak cukup untuk menjaga lapisan luarnya terikat pada bintang, dan itu menjadi nebula planet.

Cara intuitif untuk memikirkannya adalah memahami bahwa ada beberapa perubahan yang, pada dasarnya, saling memperkuat satu sama lain. Amplifikasi dalam astronomi tidak biasa. Ini menjelaskan mengapa gravitasi dapat membuat benda besar menjadi sangat kecil, karena ketika benda besar itu semakin kecil, gravitasi dan berat benda itu tumbuh secara eksponensial. Dalam arti tertentu, yang terjadi justru sebaliknya dengan raksasa Merah. Gravitasi di permukaan tumbuh cukup rendah sehingga bintang semacam itu memasuki ekspansi pelarian.

Perluasan bintang di akhir hidupnya itu eksponensial. Itu sebabnya ia bisa berkembang sangat banyak.

Jika matahari menjadi dua kali lipat tetapi massanya tetap tidak berubah. Dalam hipotetis ini, gravitasi permukaan Matahari yang baru dibagi dengan 4. Kecepatan lepasnya dibagi dengan akar kuadrat 2, sehingga lapisan terluar memiliki bobot yang jauh lebih sedikit, tetapi kecepatan lepas masih mengikatnya dengan bintang. Semuanya sama, memperluas matahari harus membuatnya menjadi dingin, tetapi menggunakan aturan kuadrat akar untuk kecepatan termal, jika suhu dibagi 2, kecepatan molekul hidrogen dan helium dibagi oleh akar kuadrat dari 2.

Dalam teori ini, atom hidrogen pada permukaan bergerak sedikit lebih lambat, tetapi dengan 1/4 gravitasi, mereka lebih bebas dan mereka dapat bergerak lebih jauh dari bintang berdasarkan kecepatan termal mereka.

Jika kita terus mengembangkan matahari, ada titik di mana hidrogen terluar menjadi sangat longgar. Pada ukuran raksasa merah, katakanlah, 1 AU dalam radius atau 215 jari-jari matahari saat ini, gravitasi sekitar 46.000 kali lebih rendah dan hidrogen di permukaan hanya mengalami percepatan gravitasi 0,006 m / s ^ 2, tetapi molekul hidrogen yang sama pada raksasa merah suhu (sekitar 3.000 derajat K), bergerak sekitar 5,5 km / s. Mereka dapat terbang jauh dari permukaan selama lebih dari satu juta km berdasarkan energi termal mereka saja, dibandingkan dengan sekitar 100 km di permukaan matahari saat ini (berdasarkan hanya di bawah 8 km / s).

Dalam kedua kasus tersebut, lapisan luar hidrogen dan helium berada dalam kesetimbangan, hanya saja gravitasi dan ukuran raksasa merahnya sangat jauh lebih rendah sehingga dengan raksasa merah, keseimbangan adalah ikatan gas panas yang sangat longgar ini terikat. Tapi itu hanya sebagian alasannya.

Pertimbangkan apa lagi yang terjadi saat matahari bertambah tua.

Sumber .

Inti, tempat fusi terjadi adalah wilayah yang relatif kecil di tengah. Melilit inti adalah zona radiasi dan zona konduktif. yang membantu menjaga panas dari fusi yang terperangkap di dalam matahari. Sebagai akibatnya, seiring waktu, bagian dalam matahari tumbuh lebih panas dan saat itu semakin panas inti tumbuh lebih besar dan mencakup semakin banyak zona radiasi.

Jika kita menganggap zona radiasi sebagai semacam selimut yang memerangkap panas di dalam matahari, ketika inti tumbuh lebih besar dan lebih masif, zona radiasi itu meregang dan kehilangan massa ke inti, sehingga menjadi lebih tipis dengan dua cara. Jika ukuran inti berlipat dua, foton dari inti harus bergerak hingga 1/4 molekul sebanyak itu. Ketika matahari menjadi cukup tua dan sebagian besar fusi terjadi di tepi luar inti, ada lebih sedikit selimut untuk menjaga agar panas tidak terperangkap. Bukan karena terlalu banyak energi yang diciptakan, melainkan bahwa energi memiliki jalur yang lebih mudah ke daerah terluar matahari. Jadi Anda memiliki efek amplifikasi, ketika matahari tumbuh lebih besar, gravitasi permukaan turun oleh kuadrat jari-jari dan panas internal memiliki lebih sedikit bahan untuk melewati untuk mencapai lapisan luar,

Keruntuhan inti internal juga dapat berperan. Bahkan ketika inti dalam kehabisan hidrogen untuk berfusi dan mulai runtuh, tindakan runtuh menghasilkan panas yang signifikan.

Tidak yakin itu jelas, tetapi itulah usaha saya untuk menjelaskan apa yang terjadi secara intuitif.