stringtranslate.com

Звездное ядро

Звездное ядро ​​— это чрезвычайно горячая и плотная область в центре звезды. Для обычной звезды главной последовательности область ядра — это объем, где условия температуры и давления позволяют производить энергию посредством термоядерного синтеза водорода в гелий . Эта энергия, в свою очередь, уравновешивает массу звезды, давящую внутрь; процесс, который самостоятельно поддерживает условия теплового и гидростатического равновесия . Минимальная температура, необходимая для звездного синтеза водорода, превышает 10 7 К ( 10  МК ), а плотность в ядре Солнца превышает100  г/см 3 . Ядро окружено звездной оболочкой, которая переносит энергию от ядра в звездную атмосферу , где она излучается в космос. [1]

Основная последовательность

Звезды главной последовательности большой массы имеют конвективное ядро, звезды промежуточной массы имеют радиационное ядро, а звезды малой массы полностью конвективны.

Звезды главной последовательности отличаются первичным механизмом генерации энергии в их центральной области, который объединяет четыре ядра водорода с образованием одного атома гелия посредством термоядерного синтеза . Солнце является примером этого класса звезд. Как только образуются звезды с массой Солнца , область ядра достигает теплового равновесия примерно через 100 миллионов (10 8 ) [2] [ необходима проверка ] лет и становится излучающей. [3] Это означает, что генерируемая энергия выводится из ядра посредством излучения и проводимости, а не посредством переноса массы в форме конвекции . Над этой сферической зоной излучения находится небольшая зона конвекции чуть ниже внешней атмосферы .

При меньшей звездной массе внешняя конвекционная оболочка занимает все большую часть оболочки, а для звезд с массой около0,35  M ☉ (35% массы Солнца) или меньше (включая неудавшиеся звезды ) вся звезда конвективна, включая область ядра. [4] Эти звезды с очень малой массой (VLMS) занимают поздний диапазон звезд главной последовательности М-типа , или красных карликов . VLMS является основным звездным компонентом Млечного Пути и составляет более 70% от общей численности населения. Маломассовый конец диапазона VLMS достигает примерно0,075  M☉ , ниже которого обычный (бездейтериевый ) синтез водорода не происходит и объект обозначается как коричневый карлик . Температура центральной области VLMS снижается с уменьшением массы, а плотность увеличивается. Для звезды с0,1  M , температура ядра около5 МК пока плотность около500 г см -3 . Даже в нижней части температурного диапазона водород и гелий в области ядра полностью ионизованы. [4]

Логарифм относительного энерговыделения (ε) протон-протонных (pp), CNO и процессов тройного α- синтеза при различных температурах (T). Пунктирная линия показывает совместное генерирование энергии процессов pp и CNO внутри звезды.

Ниже примерно 1,2  M производство энергии в ядре звезды происходит преимущественно за счет протон-протонной цепной реакции , процесса, требующего только водорода. Для звезд, масса которых превышает эту массу, выработка энергии все чаще происходит за счет цикла CNO — процесса синтеза водорода, в котором используются промежуточные атомы углерода, азота и кислорода. На Солнце только 1,5% чистой энергии поступает из цикла CNO. Для звезд с массой 1,5  M , где температура ядра достигает 18 МК, половина производства энергии происходит за счет CNO-цикла, а половина - за счет pp-цепи. [5] Процесс CNO более чувствителен к температуре, чем pp-цепочка, при этом большая часть производства энергии происходит вблизи самого центра звезды. Это приводит к более сильному температурному градиенту, что создает конвективную неустойчивость. Следовательно, область ядра является конвективной для звезд размером выше примерно 1,2  M . [6]

Для звезд всех масс по мере расходования водорода в ядре температура увеличивается, чтобы поддерживать равновесие давления. Это приводит к увеличению скорости производства энергии, что, в свою очередь, приводит к увеличению светимости звезды. Время жизни фазы ядерного синтеза водорода уменьшается с увеличением массы звезды. Для звезды с массой Солнца этот период составляет около десяти миллиардов лет. ВM время жизни 65 миллионов лет, а при25  M период синтеза водорода в ядре составляет всего шесть миллионов лет. [7] Самые долгоживущие звезды — это полностью конвективные красные карлики, которые могут оставаться на главной последовательности сотни миллиардов лет и более. [8]

Субгигантские звезды

Как только звезда превратила весь водород в своем ядре в гелий, ядро ​​больше не может поддерживать себя и начинает разрушаться. Он нагревается и становится достаточно горячим, чтобы водород в оболочке вне ядра начал термоядерный синтез. Ядро продолжает сжиматься, а внешние слои звезды расширяются. На данном этапе звезда является субгигантом . Звезды с очень малой массой никогда не становятся субгигантами, потому что они полностью конвективны. [9]

Звезды с массой примерно от 0,4  M ☉ до 1  M имеют небольшие неконвективные ядра на главной последовательности и имеют толстые водородные оболочки на ветви субгигантов. Они проводят несколько миллиардов лет на ветви субгигантов, при этом масса гелиевого ядра медленно увеличивается за счет синтеза водородной оболочки. В конце концов, ядро ​​вырождается, где доминирующим источником давления ядра является давление вырождения электронов , и звезда расширяется в ветвь красных гигантов. [9]

Звезды с более высокими массами имеют, по крайней мере, частично конвективные ядра на главной последовательности, и у них образуется относительно большое гелиевое ядро ​​до того, как истощается водород во всей конвективной области и, возможно, в более крупной области из-за конвективного выброса . Когда синтез ядра прекращается, ядро ​​начинает сжиматься, и оно настолько велико, что гравитационная энергия фактически увеличивает температуру и светимость звезды на несколько миллионов лет, прежде чем она станет достаточно горячей, чтобы воспламенить водородную оболочку. Как только водород начинает плавиться в оболочке, звезда остывает и ее называют субгигантом. Когда ядро ​​звезды больше не подвергается термоядерному синтезу, но его температура поддерживается за счет синтеза окружающей оболочки, существует максимальная масса, называемая пределом Шенберга-Чандрасекара . Когда масса превышает этот предел, ядро ​​коллапсирует, а внешние слои звезды быстро расширяются, превращаясь в красного гиганта . У звезд размером примерно до 2  M это происходит всего через несколько миллионов лет после того, как звезда становится субгигантом. Звезды с массой более 2  M имеют ядра выше предела Шенберга – Чандрасекара, прежде чем они покинут главную последовательность. [9]

Гигантские звезды

Различия в строении звезд главной последовательности , ветви красных гигантов и горизонтальной ветви .

Как только запасы водорода в ядре маломассивной звезды с по крайней мере0,25  M [8] обеднена, она покинет главную последовательность и будет эволюционировать вдоль красной гигантской ветви диаграммы Герцшпрунга–Рассела . Развивающиеся звезды с размером примерно до 1,2  M будут сжимать свое ядро ​​до тех пор, пока водород не начнет плавиться через pp-цепочку вместе с оболочкой вокруг инертного гелиевого ядра, проходя вдоль ветви субгигантов . Этот процесс будет постепенно увеличивать массу гелиевого ядра, вызывая повышение температуры водородной оболочки до тех пор, пока она не сможет генерировать энергию в рамках цикла CNO. Из-за температурной чувствительности процесса CNO эта водородная оболочка будет тоньше, чем раньше. Конвективные звезды без ядра размером более 1,2  M , которые израсходовали водород своего ядра в результате процесса CNO, сжимают свои ядра и непосредственно переходят на стадию гиганта. Увеличение массы и плотности гелиевого ядра приведет к увеличению размера и светимости звезды по мере ее развития вверх по ветви красных гигантов. [10]

Для звезд в диапазоне масс0,4–1,5  M ☉ гелиевое ядро ​​вырождается еще до того, как оно станет достаточно горячим, чтобы гелий начал синтез. Когда плотность вырожденного гелия в ядре достаточно высока — около10 7  г см -3 с температурой около10 9  К — он подвергается ядерному взрыву, известному как « гелиевая вспышка ». Это событие не наблюдается за пределами звезды, поскольку высвободившаяся энергия полностью расходуется на то, чтобы поднять ядро ​​из электронного вырождения в нормальное газовое состояние. Гелиевое плавящееся ядро ​​расширяется, плотность снижается примерно до 10 3 - 10 4 г см -3 , в то время как оболочка звезды испытывает сжатие. Звезда сейчас находится на горизонтальной ветви , при этом фотосфера демонстрирует быстрое уменьшение светимости в сочетании с увеличением эффективной температуры . [11]

В более массивных звездах главной последовательности с конвекцией ядра гелий, образующийся в результате термоядерного синтеза, смешивается по всей конвективной зоне. Таким образом, как только водород ядра израсходован, он эффективно исчерпывается во всей области конвекции. В этот момент гелиевое ядро ​​начинает сжиматься и начинается синтез водорода вместе с оболочкой по периметру, которая затем постепенно добавляет больше гелия в инертное ядро. [7] При звездных массах выше2,25  M , ядро ​​не вырождается до начала синтеза гелия. [12] Следовательно, по мере старения звезды ядро ​​продолжает сжиматься и нагреваться до тех пор, пока в центре не сможет поддерживаться тройной альфа-процесс , превращающий гелий в углерод. Однако большая часть энергии, вырабатываемой на этом этапе, продолжает поступать из водородной термоядерной оболочки. [7]

Для звезд выше 10  M синтез гелия в ядре начинается сразу после окончания главной последовательности. Вокруг гелиевого ядра образуются две водородные плавящиеся оболочки: тонкая внутренняя оболочка цикла CNO и внешняя оболочка цепочки pp. [13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Прадхан и Нахар 2008, с. 624
  2. ^ Лоддерс и Фегли, 2015, с. 126
  3. ^ Мэдер 2008, с. 519
  4. ^ ab Chabrier & Baraffe 1997, стр. 1039–1053.
  5. ^ Ланг 2013, с. 339
  6. ^ Мэдер 2008, с. 624
  7. ^ abc Ибен 2013, с. 45
  8. ^ аб Адамс, Лафлин и Грейвс, 2004 г.
  9. ^ abc Саларис и Кассизи 2005, с. 140
  10. ^ Роуз 1998, с. 267
  11. ^ Хансен, Кавалер и Тримбл 2004, стр. 63
  12. ^ Бисноватый-Коган 2001, с. 66
  13. ^ Мэдер 2008, с. 760

Библиография