Slunce Evolution

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

Navigace
Úvod
Ohledu na to, Under Pressure
The Birth of the Sun
Slunce Evolution
The End Of The Sun
Jak velké hvězdy Evolve
Typ II – The Other Supernova
Po supernovy

Hertzsprung-Russell diagram (aka hlavní posloupnosti)
Většina hvězdy jsou poměrně jednoduché věci. Přicházejí v různých velikostech a teplot, ale velká většina může být charakterizována jen dva parametry: jejich hmotnosti a jejich věku. (Chemické složení má také určitý vliv, ale ne dost měnit celkový obraz o tom, co budeme diskutovat zde. Všechny hvězdy jsou asi tři čtvrtiny vodíku a jedna čtvrtina helium, když se narodí.)

Závislost na hmotě je asi proto, že naprostá váha hmoty hvězdy určuje jeho centrální tlak, což určuje jeho rychlost jaderného hoření (vyšší tlak = větší kolize = více energie) a energie Výsledný fúzní je to, co řídí teplotu hvězdy , Obecně platí, že čím více masivní hvězda, tím jasnější a teplejší musí být. Je to také případ, že tlak plynu v jakékoli hloubce do hvězdy (který také závisí na teplotě v této hloubce), musí být v rovnováze hmotnost plynu nad ní. A konečně, samozřejmě, je celková energie generovaná v jádru se musí rovnat celkové energie vyzařované na povrchu.

Tato poslední skutečnost vytváří ještě další omezení, protože energie záření koule suspendované ve vakuu se řídí zákon známý jako Stefan-Boltzmannova rovnice:

L = C R 2 T4 (celkem svítivost horké koule)

Zde L je svítivost hvězdy, C je constant1, R je poloměr hvězdy v metrech, a T je teplota povrchu hvězdy v K °. Všimněte si, jak rychle energie vyzařované hvězda stoupá s T: zdvojnásobení teploty způsobuje jeho energetický výkon zvýšit o 16 krát.

Hvězda, která splňuje všechny tyto překážky se říká, že v hydrostatické rovnováze. Hydrostatické rovnováze má šťastnou účinek, že to vede k tomu, hvězdy stabilní. By měla jádro hvězda má být komprimována, komprese způsobí jadernou pálení zvýšit, který generuje více tepla, která vynutí si tlak a dělá hvězda expandovat. To sahá až do rovnováhy. Stejně tak, pokud jádro hvězdou by měl být dekomprimovat, pak jaderná hořící klesá, což ochlazuje hvězdu a přináší tlak dolů, a tedy hvězda smrští a opět se vrací do rovnováhy. Výstup energie Slunce není kolísal o více než asi 0,1% až 0,2% v lidské historii – to není špatné pro jaderný reaktor, který nemá žádný regulativní výbor, žádné inženýrů a neměl bezpečnostní kontrolu v téměř pět miliard let ,

1 – Velmi dobře, když to musíš vědět, konstanta se rovná 5,67 x 10-8 W m-2 K-4.

Tato rovnice je důležité, protože to ukazuje, jak i malé změny v povrchové teploty hvězdy může vést k velkým změnám v energetický výkon. Pokud je teplota Slunce se právě zvedl od 5780 K do 5900 ° K °, její svítivost by se zvýšily o téměř 9%.

Těsné vzájemné vztahy teploty, tlaku, hmotnosti a rychlosti jaderné spalování znamená, že hvězda dané hmotnosti a věku lze dosáhnout pouze hydrostatické rovnováze na jednu sadu hodnot. To znamená, že každá hvězda v naší Galaxii o stejné hmotnosti a věku jako slunce má také stejný průměr, teplota a energetický výkon. Neexistuje žádný jiný způsob, jak vše do rovnováhy. Jestliže jeden generuje velmi těžké-core astrofyzice graf známý jako Hertzsprungův-Russellův diagram (H-R diagramu v krátkosti), je vztah mezi hmotností hvězd a jeho dalším vlastnostem se stává jasnější. Schéma H-R je znázorněno na obrázku 1.

Stanovení H-R diagram trvá řadu hvězd a pozemky jejich zářivý výkon (vzhledem ke Slunci) v závislosti na jejich povrchových teplot. Všimněte si, že teplotní stupnice v diagramu H-R na obrázku 1 se otáčí opačně, zprava doleva, a že osa zářivost je vysoce stlačený. (Historicky, to bylo, jak byl první HR diagram konstruovány, takže teď jsou všichni.) Je-li provedeno pro velký vzorek hvězd, zjistíme, že převážná většina hvězd padají podél jediné, pozoruhodně úzkém pásmu, který běží od bottom-vpravo nahoru-vlevo: to znamená, že z matné a červená na světlé a rozžhavený do běla. Astronomové nazývají tuhle kapelu hlavní posloupnosti, a tudíž jakákoliv hvězda podél pásma se nazývá hlavní posloupnosti star.2

Hlavním sekvence existuje právě proto, že nepružné povaze hydrostatické rovnováze. Hvězdy s velmi nízkou hmotností (pouhých 7,5%, což slunce) leží na pravém dolním rohu diagramu H-R. Musí ležet v pravém dolním rohu. Tato část diagramu H-R odpovídá extrémně nízkou zářivost – tak málo, jako deseti tisící, že Slunce – a nízké povrchové teploty, což odpovídá tupé oranžovo-žluté záři roztaveného kovu. Tyto hvězdy nemají dostatek hmoty k vytvoření tlaku nutné k uskutečnění jaderné pálení v jejich jádra jet rychleji. High-hmotné hvězdy (více než 40 Sluncí) jsou umístěny v levém horním rohu, protože musí. Opačný k nízké hmotnosti hvězdám, jejich obrovské hmotnosti a vysoké tlaky centrální vést k obrům, které mohou být 160.000 krát jasnější než Slunce, a tak horké, že vydávají více energie v ultrafialové části spektra, než je tomu jako viditelné světlo. Slunce leží téměř přesně uprostřed mezi těmito extrémy, a proto není ani extrémně slabé, ani extrémně jasná jako hvězdy jít. Svítí s jasným nažloutlý-bílé barvy.

Povaha jedna ku jedné mezi hmotou a hydrostatické rovnováhy znamená, že pokaždé, když se mění hmotnost hvězdy, vše, co můžete udělat, je snímek podél jedné předem stanovené dráze, s ohledem na všechny jeho dalších fyzikálních vlastností. Tato trať je přesně ten hlavní posloupnosti. Ale teď, když jsem řekl, že druhý pohled na schéma H-R ukáže, že tam je povrchní hvězd i mimo hlavní posloupnosti: oni jsou soustředěny v “ostrovy” v pravém horním rohu a vlevo dole. Vzhledem k tomu hvězdy v pravém horním rohu jsou velmi světelný přesto však mají cool, načervenalé plochy, astronomové jim říkáme červení obři. Podobně, protože hvězdy v levém dolním rohu jsou velmi slabé přesto také rozžhavený do běla, oni jsou nazýváni bílých trpaslíků. Setkali jsme se bílé trpaslíky již v teoretické způsobem. Nyní se podívejme, kde ty skutečné pocházejí.

2 – Astronomové již tradičně klasifikovat hlavní posloupnosti hvězdy s písmeny, jako tak:
O – 30.000 až 40.000 K °
B – 10.800 až 30.000 K °
A – 7240 na 10,800 K °
F – 6000 do 7240 ° K
G – 5150 do 6000 ° K
K – 3920 do 5150 ° K
M – 2700 do 3920 K °

V každé třídě, čísla od 0 až 9 poskytují podtřídy, nula je nejvyšší podtřídy (nejvyšší teplota). Slunce je klasifikován jako G2 hvězda.

Červení obři a bílý trpaslíci
Červení obři a bílí trpaslíci tak proto, že hvězdy, stejně jako lidé, se mění s věkem a nakonec umírá. Pro lidi, příčina stárnutí je zhoršení biologických funkcí. Pro hvězdu, příčinou je nevyhnutelný energetická krize, protože začíná běžet z jaderného paliva.

Od svého zrodu před 4,5 miliardami let, sluneční světelnost má velmi jemně zvýšila asi o 30% .3 To je nevyhnutelný vývoj, který přijde, protože s miliardami let valit od Slunce hoří vodíku v jeho jádru. Hélium “popel” nezůstal pozadu jsou hustší než vodík, takže vodík / helium mix v jádru Slunce je velmi pomalu stává hustší, tím se zvyšuje tlak. To způsobí, že jaderné reakce běžet trochu teplejší. The Sun rozjasní.


3 – Jednou z otevřených otázek v geologii je, jak se Slunce mohlo stabilně stala jasnější, i když celková teplota na Zemi zůstala více či méně konstantní. Nevíme přesně, ale ve dvou slovech nebo méně, odpověď zní: skleníkový efekt. Zemská atmosféra evidentně měla mnohem vyšší obsah emisí skleníkových plynů před čtyřmi miliardami let, který držel ji v teple. (Ve skutečnosti, velmi teplá. Průměrná globální teplota mohla být stejně vysoká jako 140 F °.) Různých složitých bio-geologický zpětnovazební smyčky neustále klesal skleníkový efekt právě proto, že Slunce je stále jasnější.

Tento proces zjasnění pohybuje po velmi pomalu na první, kdy je ještě dostatek vodíku zbývající být spálen ve středu hvězdy. Ale nakonec jádro stane se tak vyčerpány paliva, které jeho výroby energie začíná klesat, bez ohledu na rostoucí hustotou. Když k tomu dojde, je hustota jádra začíná ještě zvýšit, protože bez zdroje tepla, aby se mohla odolat gravitaci, jediný možný způsob, jak jádro může reagovat, je na základě smluv až do jeho vnitřní tlak je dostatečně vysoká, aby držet váhu celá hvězda. Bizarně, toto vyprazdňování centrální palivové nádrže činí hvězda jasnější, ne stmívače, protože intenzivní tlak na povrchu jádra způsobí, že vodík se spalovat i rychleji. Tento více než zabírá malátný z palivové-vyčerpaný centra. Tato hvězda je zjasnění nejen pokračuje, zrychluje.

Slunce je asi v polovině cesty přes velmi dlouhý proces přesouvá z režimu, kdy vodík spalován v jádře ve svém středu do režimu, kdy bude vodík spaluje v kulové vrstvy omotal kolem intenzivně horké, velmi hustá, ale docela inertní helium jádra. Jakmile to dělá přechod od jádra spalování loupat pálení, bude vstupem do jeho temných roků. Vzhledem k tomu, helium jádro roste, tak se vodík spalování shell nad ní, čímž se Slunce stále jasnější, i když zlověstně zvyšuje rychlost, kterou je helium accreted na jádro. Rostoucí Jádro spaluje sluneční vodík ještě rychleji, což jen dále rozšiřuje jádro rychleji. , , ,

Stručně řečeno, na konci, nukleární pece ve středu každé hvězdy se začne přehřívat. K tomu, aby čísla na to, kdy bylo Slunce vznikla před 4,5 miliardami let to bylo o 30% slabší než v současnosti. Na konci příštích 4,8 miliardy let, Slunce bude o 67% jasnější než je tomu nyní. Za 1,6 miliardy let následujících, bude Slunce svítivost stoupnout na smrtící 2,2 Lo. (Lo = přítomen Sun.) Země by pak byly pečené na holé skále, svých oceánů a veškerý svůj život vypařila o blížící se Sluncem, které budou zhruba 60% větší než u present.4 Povrchová teplota na Zemi bude být vyšší než 600 ° F. Ale i tato verze of the Sun je stále stabilní a zlaté ve srovnání s tím, co má přijít.



4 – Bohužel, zpětnovazební smyčky uvedené v poznámce pod čarou 2 nemůže chránit Zemi navždy. Poté, co jeho skleníkový efekt klesla na nulu, může Země nebude dělat nic víc vychladnout sám.

Kolem roku 7,1 miliardy nl, bude Slunce začne tak rychle, že to přestane být hlavním sekvenční hvězda vyvíjí. Jeho pozice na diagramu H-R začne přesouvat z místa, kde je nyní, v blízkosti centra, na pravém horním rohu, kde žijí červení obři. Důvodem je, že helium jádro Slunce bude nakonec dosáhne kritického bodu, kde je tlak od normálních plynů nemohou pojmout až drtivý váhu právě hromadí na něj (a to ani plynů se zahřeje na desítky milionů stupňů). Malý semeno elektron-degenerovaný plyn začne růst ve středu Slunce Podrobnosti tohoto přechodu jsou předmětem diskuse, ale teoretické výpočty ukazují, že to začne, když inertní helium jádra Slunce dosáhne asi 13% slunečního hmoty, nebo asi 140 Jupiterů.

V tomto bodě v jeho životě, Slunce stane neovladatelný. Mechanismus, který se pomalu dělat to jasnější za posledních jedenáct miliard let – více jádrové tlaku, čímž se získá teplejší jaderné spalování, čímž se získá více helia pro zvětšení jádro – je nyní zrychlil ke katastrofálním úrovních stále se zvyšujícím elektronové degenerace. 500 milionů let poté, co udeří do kritického bodu, bude Slunce svítivost balón na 34 Lo, dost ohnivý vytvořit zářících jezer roztaveného hliníku a mědi na zemském povrchu. Za pouhých 45 milionů let více se dosáhne 105 Lo a 40 miliónů let po že to bude skok do neuvěřitelných 2.300 Lo.

Do této doby enormní energetický výkon Slunce se způsobily své vnější vrstvy k nafouknutí do obrovského, ale velmi jemnou atmosféru alespoň velikosti dráhy Merkuru, a možná tak velký jako oběžné dráhy Venuše. (Přemýšlejte o tom, jak prudce voda se chová v hrnci rychle vroucí vody ve srovnání se, že v mírně vřící hrnce. To je analogické k proč sluneční atmosféry “vaří” ven jako jeho jádro se stává teplejší.) 5 Obrovská velikost středního sluneční atmosféry a enormní tepelný výkon Slunce znamená, že: # 1) Země bude muset být vypálen na nic jiného než sežehnutého železné jádro tímto bodem, ne-li odpařuje úplně – výpočty ukazují, že by mohlo jít buď cestou – a # 2) solární atmosféra bude relativně chladné navzdory obrovským energetickým výdejem Slunce. To znamená, že Slunce bude oba červené barvy a mimořádně světelný. Bude se připojil červené obry. (Viz obrázek 2)

5 – Ale to není příliš dobrá analogie. Klikněte sem a přečtěte si celý příběh, nebo klikněte na ikonu.

 

Počet hvězdiček v červeného obra části diagramu H-R je pouze zlomek procenta, že na hlavní posloupnosti, protože žádná hvězda může zůstat obří dlouho. Kdy Slunce dosáhne své maximální svítivost ve formě červeného obra, bude spalování většího množství jaderného paliva každých šest miliónů let, než tomu bylo v průběhu celého jeho jedenáct miliard let života na hlavní posloupnosti. To není udržitelné. Také, alespoň co je důležitější, červené obří hvězdy jsou ve skutečnosti nikdy stabilní ve stejném smyslu jako je Slunce je teď. Jsou neustále rozrůstá a vypalování jejich palivo stále rychleji, dokud jim něco nezastaví. Neexistuje žádná dlouhodobá rovnováha na rudého obra.