Original:http://faculty.wcas.northwestern.edu/~infocom/The%20Website/end.html

Конец Солнца

Вспышка гелия
Начало конца для красного гиганта - с массой нашего Солнца происходит очень внезапно. По мере того, как гелиевый «пепел» продолжает накапливаться в своем центре, более высокая их часть превращается в электрон-вырожденную. Это странный парадокс: даже когда внешние слои красной гигантской звезды расширяются в огромное, но слаженное облако, его внутреннее ядро ​​сжимается вниз, образуя белого карлика. Температура и давление в ядре Солнца будут расти в 10 раз от их текущих значений. И примерно через 1,2 миллиарда лет после того, как она покинет основную последовательность, в разгар ее славы как красного гиганта, центр гелиевого ядра Солнца станет достаточно массивным, плотным и горячим, что сделает что-то удивительное: она за минуты загорится и сгорит.

Когда температура в ядре достигает около 100 миллионов градусов, гелий начнет сливаться с углеродом посредством реакции, известной как процесс тройной альфа, поскольку он превращает три ядра гелия в один атом углерода. Это создает много тепла. Однако, в отличие от того, когда Солнце было молодым, а его ядро ​​содержало нормальную материю, добавление большего количества тепла к вырожденному электрону гелия не вызывает его расширения и охлаждения. Как я уже отмечал, когда я обсуждал квантовую механику, электрон-вырожденная материя ведет себя скорее как жидкость, чем как газ, когда вы ее нагреваете: ее температура быстро возрастает, но она не расширяется. Другими словами, механизм саморегулирования, который удерживает звезды в главной последовательности является настолько устойчивым (гидростатическое равновесие), и отключается в электронно-вырожденном веществе. Если вы добавите тепло к белому карлику, он просто станет горячим.

Как это бывает, тройной альфа-процесс исключительно сильно зависит от температуры: удвоение температуры реакции заставляет ее работать примерно в триллион раз быстрее! Таким образом, поскольку сплавляющий гелий нагревает сердечник, который не может расширяться, чтобы охладиться, повышенная температура приводит к тому, что слияние гелия внезапно протекает в миллионы раз быстрее, что очень быстро нагревает сердечник еще больше, что, в свою очередь, заставляет сплав сливатся быстрее...

Короче говоря, центр гелиевого ядра взрывается. Около 6% электронно-вырожденного гелиевого ядра, которое к настоящему времени весит около 40% массы Солнца, в течение нескольких минут сливается с углеродом. ( Это соответствует сжиганию примерно десяти земных масс гелия в секунду, если вы держите счет.) По понятным причинам астрономы называют это гелиевой вспышкой. Примерно время, затрачиваемое на тост бублика, во вспышке высвобождает столько энергии, сколько наше текущее Солнце генерирует за 200 миллионов лет. В разгар вспышки ядро ​​Солнца будет очень кратковременно соответствовать объединенной светимости всех звезд в галактике Млечный Путь! Можно было бы предположить, что пожар такого масштаба оказал бы драматическое влияние на красного гиганта - и это происходит, в некотором роде, но не так внезапно или жестоко, как вы думаете.

Это потому, что мы склонны недооценивать гравитацию. По сравнению с устрашающей силой ядерного оружия энергия, создаваемая путем падения нескольких камней, кажется не очень впечатляющей. Но на самом деле гравитационная энергия чрезвычайно плотных, чрезвычайно больших масс поражает - это только наши человеческие предрассудки, возникающие из-за того, что мы живем на мелкой гальке, которая не является ни массивной, ни плотной, что заставляет нас думать иначе.


Предположим, что мы берем Землю в качестве примера большого плотного объекта, хотя он примерно такой же плотный, как и хлопок, по сравнению с белым карликом. Чтобы раздуть Землю вдвое больше, то есть поднять массу Земли против ее собственной силы тяжести до удвоения ее радиуса, потребовалась бы вся солнечная энергия, покрывающая поверхность Земли (всего 185 000 000 000 мегаватт) для следующих 13 миллионов лет!

Во время вспышки гелия вырожденный сердечник звезды нагревается настолько интенсивно, что он, наконец, «испаряется», так сказать. То есть, отдельные ядра начинают двигаться так быстро, что они могут «отвариться» и избежать этого. Ядро возвращается обратно в (эффектно плотный) нормальный газ и сильно расширяется. Огромная гравитационная энергия, необходимая для расширения 100 000 масс Земли из вырождения и до нескольких раз от их первоначального объема, находится на одном уровне с энерговыделением гелиевой вспышки. Или, другими словами, почти вся энергия вспышки поглощается титаническим весом, необходимым для подъема сердечника из состояния белого карлика. По сути, ни одна из энергий не достигает поверхности красного гиганта, и действительно, если вы наблюдали за красным гигантом невооруженным глазом, когда его гелиевое ядро ​​вспыхнет, вы вряд ли вы заметили бы что-нибудь вообще.

Таким образом, по человеческим меркам, гелиевая вспышка вызывает разочарование. Однако по галактическим стандартам красный гигант был застрелен в сердце. Внезапное расширение сердечника приводит к охлаждению настолько сильно, что это похоже на начало ледникового периода. Охлаждение немедленно приводит к значительно более низкому давлению в водородно-горящей оболочке, которая окружает ядро, и, следовательно, к катастрофическому падению выхода энергии. На временной шкале, которая почти мгновенние по сравнению с обычным временным масштабом, на котором пробегают звезды (возможно, всего лишь 10 000 лет), диаметр и блеск красного гиганта упали до менее чем 2% от их прежних значений. Для звезд масса нашего Солнца, результат вспышки гелия, - это крах в оранжево-желтую звезду, возможно, в десять раз превышающую текущий диаметр Солнца и в 40 раз светимость. И это довольно смешно.

Конец Солнца
Окончательные 140 миллионов лет жизни Солнца будут очень сложными. После его краха, как показано на рисунке 1 , Солнце будет восстанавливаться как звезда с двойным источником энергии: у него будет плотное (но не электронно вырожденное) углерод-кислородное ядро, окруженное оболочкой, где гелий горит в углероде , И вне этого он будет иметь другую оболочку, в которой водород горит в гелии. (Основной кислород создается медленным слиянием между углеродом и гелием на поверхности ядра. В более тяжелых звездах кислород может, в свою очередь, сливаться с гелием, чтобы сделать неон.) Слияние гелия дает только на 9% больше энергии на килограмм, чем водородный синтез, Поэтому по энергии Солнце продолжает оставаться главным образом водородным реактором. 90% его светимости по-прежнему происходит от сжигания водорода.

Однако именно гелий, окружающий ядро, теперь диктует, как Солнце будет развиваться. Солнце более или менее повторяет то, что оно делало, как стареющая звезда главной последовательности, за исключением - теперь с углерод-гелиевой смесью в ядре, а не с гелиево-водородной смесью. Некоторое время оно достигает относительной стабильности и поддерживает гидростатическое равновесие в своем новом воплощении как оранжево-желтая «субгигантская» звезда. Таким образом, о звездах в этой фазе их существования иногда говорят как о «главной последовательности гелия». Из мимолетной перспективы человеческой жизни, сугуботворные звезды кажутся достаточно спокойными: такая знаменитая яркая звезда Арктура, свет которой использовался для открытия Чикагской ярмарки в Чикаго 1933 года, - такая звезда. Она не изменилась ни в какой измеримой форме с момента изобретения телескопа.

Но высокие температуры, необходимые для поддержания горения гелия, означают, что Солнце может только гореть гелием только одним способом: очень быстро. Горячее ядро ​​диктует быстрое сжигание водорода. Когда оно было на нормальной основной последовательности, светимость Солнца держалась довольно близко к 1,0 л o в в течение примерно девяти миллиардов лет, прежде чем осветлилось до 2,7 л о в конце. В основной последовательности гелия яркость Солнца будет удерживаться примерно на 45 л до того, как она просветится до примерно 110 л о в конце. Не такой впечатляющий, как красный гигант, но очень яркий, тем не менее.

Чтобы поддерживать свой субгигантный образ жизни, Солнце должно сжигать топливо в гелиевом сердечнике в 100 раз быстрее, чем это было бы с его исходным водородным сердечником. Спустя всего сто миллионов лет на главной последовательности - гелий в Солнце снова начнет подниматься к царству красных гигантов и по тем же причинам, что и раньше. Но нет «углеродной вспышки», эквивалентной гелиевой вспышке, которая остановила Солнце в первый раз. Температура и давление, необходимые для воспламенения углерод-углеродного слияния, слишком велики для достижения Солнцем независимо от того, насколько сжата его сердцевина, поэтому углерод просто накапливается и становится все более плотным. Тенденции, которое Солнце проявляло на своем первом запуске как красный гигант, когда его ядро ​​было раздавлено до плотных карликов, даже когда внешние слои вздымались до десятков миллионов километров в диаметре, теперь не остановить. Солнце снова становится красным гигантом, на этот раз с максимальной яркостью выше 3000 L o . Его внешние слои смещаются дальше и дальше наружу, за орбиту Юпитера, даже когда его вырожденный электронами ядро ​​быстро растет и, следовательно, становится меньше и плотнее.

И в конечном итоге наступает день, когда имеем компанию из двух частей. Конечные дни звезды чрезвычайно сложны, потому что горючие оболочки не сгорают с одинаковой скоростью. Более горячая,и еще более горячая гелиевая оболочка имеет тенденцию выступать наружу и обгонять водородно-горящую оболочку, и когда это произойдет, больше нет гелия, чтобы гореть, поэтому что оболочка гелия выгорела. Но гигантская звезда быстро готовит еще больше гелия, который затем накапливается на ядре белого карлика, пока он внезапно не вспыхнет в запущенном гелиевом зажигании, что-то вроде детской версии вспышки гелиевого ядра. Вспышка гелия разрушает (выключает) горелку водорода на короткое время, и так оно и происходит. В самом конце Солнце буквально кашляет до смерти, так как в его атмосфере растекаются многочисленные воспламенения топлива и затухающие огни.

В четырех или пяти огромных всплесках, расположенных на расстоянии примерно 100 000 лет друг от друга, внешние слои Солнца отделяются от ядра и полностью сдуваются. Они образуют огромную расширяющуюся оболочку вокруг солнечной системы и выходят наружу, чтобы воссоединиться с межзвездным газом. Таким образом, примерно 45% массы Солнца улетучится. Оставшиеся 55% массы Солнца вскоре сжимаются в бело-горячее, сверхплотное ядро. Для того, чтобы кто-то наблюдал за Солнцем издалека, Солнце, казалось бы, быстро меняло цвета с красного на белый, когда вокруг него поднималась газовая вуаль. ( «Быстро», разумеется, я имею в виду временной промежуток всего в несколько раз дольше, чем возраст пирамид.)

Открытая поверхность жгучего солнечного ядра будет настолько горячей, по крайней мере, 170 000 К°, что она будет излучать больше рентгеновских лучей, чем видимый свет. (Звезды после красных гигантов являются самыми известными звездами, за исключением нейтронных звезд.) Его светимость будет блестящей 4000 Lo . Солнце станет источником излучения по-настоящему галактического роста, его энергия будет освещать выходящий газ вокруг него, как огромный неоновый знак. Такие облака называют планетарной туманностью, вводящим в заблуждение именем, поскольку астрономы 18-го века едва могли видеть их с телескопами того времени и думали, что они выглядят как планеты. Они являются одними из самых красивых достопримечательностей в астрономии. Фотография справа, туманности, известной как NGC 6751, является одной из моих любимых. Яркое пятно в центре - родительская звезда после красных гигантов.

Примечательно, что есть звезда прямо в точке выдувания ее внешних слоев, которые можно увидеть невооруженным глазом. Это Мира, «Удивительный», так названая арабскими астрономами в средние века, потому что Мира довольно неустойчиво колеблется в течение примерно 330 дней от самой яркой звезды в своем созвездии (Cetus, the Whale) до полной невидимости. Мира - единственная классически названная звезда, которую вы не можете видеть большую часть времени. Современные приборы показывают, что Мира - это значительно более длинный мешок с глубоким красным газом, который даже не является сферическим, и который при 2000 K° также является одной из самых крутых звезд. Его атмосфера претерпевает сложные колебания и колеблется, поскольку ядерное выгорание под ним разбрызгивается и задыхается. Отсюда следует, его изменчивость. В ничтожные 500 000 лет или меньше Мира будет планетарной туманностью.

Что касается Солнца, без его внешних слоев, чтобы обеспечить его большим количеством водорода, оно может поддерживать только великолепное отображение своей туманности в течение нескольких тысяч лет, чуть больше, что является чуть большим чем щелчок пальцев по галактическим стандартам. Последний отброс топлива на плотном ядре, наконец, сгорит, и впервые за двенадцать миллиардов лет Солнце перестанет производить энергию. Туманность будет рассеиваться и исчезать. Солнце стало белым карликом, немного большим, чем
Земля, но в 200 000 раз более массивная, и на миллиарды лет вперед все, что она сделает, медленно охлаждается.

Из-за их огромной плотности время, затрачиваемое на охлаждение белых карликов, настолько велико, что даже самые старые (почти за 12 миллиардов лет) не успели остыть намного ниже 5000 K°. Эти очень старые «белые карлики», возможно, более точно можно назвать «желтовато-белыми» карликами, но в любом случае Млечный Путь не содержит никаких «черных карликов». Все десять миллиардов или около того белых карликов, которые наша галактика произвела с Большого взрыва, все еще сияют, хотя и смутно.



Далее: как развиваются большие звезды