Происхождение красных гигантов

В одном из последних видео мы говорили о большом облаке атомов водорода, в итоге сжимающемся в шаровидный объект большой массы с высоким давлением внутри. Было показано, что когда давление и температура становятся достаточно высокими, ядра атомов водорода, или протоны, сближаются настолько, что захватываются сильным взаимодействием. В результате этого начинаются реакции термоядерного синтеза гелия из водорода, которые протекают с высвобождением большого количества энергии. Затем полученная энергия начинает компенсировать действующую силу тяготения. Поэтому звезда (теперь это уже звезда) не проваливается внутрь себя. Говорят, что такая звезда находится на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела. Что происходит потом? Пойдем дальше и порассуждаем, что случится с такой звездой в будущем. Итак, пока звезда находится на главной последовательности, в ее центральной области, или ядре, происходит слияние ядер атомов водорода с превращением его в гелий. Этот процесс высвобождает огромное количество энергии, которая предохраняет звезду от катастрофического сжатия. Создается направленная наружу сила, компенсирующая силу тяготения, направленную к центру объекта. Таким образом, в ядре звезды, аналогичной нашему Солнцу, выделяется энергия, разогревающая остальной газ во внешних областях. Это создает очень яркий объект, который и виден как собственно звезда, или же в нашем случае — Солнце. Поскольку водород синтезируется в гелий, очевидно, что в ядре скапливается все больше и больше гелия. Нарисуем его зеленым цветом. Итак, в центральных областях звезды образуется большое количество гелия. Он собирается неравномерно: чем ближе к центру звезды, тем выше давление и тем быстрее реакции термоядерного синтеза, или «ядерного горения» водорода. Фактически, чем больше масса звезды, тем выше давление внутри нее, и тем быстрее происходит слияние ядер. По мере «сгорания» водорода все большую часть ядра звезды занимает гелий. Что будет дальше с ядром? Атом гелия плотнее, то есть имеет большую массу при меньшем объеме. Поэтому чем большее количество водорода превращается в гелий, тем сильнее будет «съеживаться» ядро звезды. Тем сильнее будет «съеживаться» ядро звезды. Нарисуем уменьшившееся звездное ядро. Итак, центральная область звезды уменьшается и «худеет». Сейчас в ней намного больше гелия, чем водорода. Рассмотрим предельный случай вырожденного ядра, когда оно полностью состоит из гелия, а ядерное «топливо» истощилось. Оно стало намного плотнее: при той же массе, что и раньше, радиус ядра уменьшился. Ядро стало сферой из гелия. Вещество звезды будет испытывать большее гравитационное притяжение, так как ее слои станут ближе друг к другу. Ведь известно, что чем меньше расстояние до массивного объекта, тем сильнее действует создаваемое им тяготение. В результате внутри звезды повысятся давление и температура, и взамен «горения» водорода в центральных областях звезды начнутся реакции синтеза в ее периферийных областях, то есть в процесс слияния ядер вовлекается водород из остального объема звезды. Как вы понимаете, все происходит не вдруг, это постепенный процесс: по мере накопления гелия в ядре звезды оно становится все плотнее и плотнее. Более плотное ядро занимает меньший объем, а значит, внешние слои вещества звезды сближаются, постепенно наращивая давление на ядро. Так как давление вблизи ядра возрастает все больше и больше, реакции нуклеосинтеза протекают все быстрее и быстрее, пока все ядро не превратится в гелий. Здесь надо кое-что прояснить. Есть гелиевое ядро. Весь водород внутри ядра использован (выгорел). Однако, оставшийся в прилегающих к ядру слоях вещества звезды водород теперь находится под огромным давлением — на самом деле давление здесь даже больше, чем было сначала в чисто водородном ядре. Снаружи ядра есть большая масса вещества, которая производит действие, направленное вниз, к центру: силы гравитации пытаются еще больше уплотнить гелиевое ядро и приблизить к нему внешние слои звездного вещества. Теперь слияние ядер атомов водорода происходит еще быстрее, захватывает все более далекие от центра слои вещества. Следовательно, теперь в процессе синтеза высвобождается большее количество энергии и направленная наружу сила стремится вытолкнуть внешнюю оболочку звезды еще дальше от центра. Таким образом, все время, пока в ядре звезды идет постепенный процесс превращения водорода в гелий, или термоядерного синтеза, водород из внешних областей, прилегающих к ядру, сам начинает «гореть» все с большей скоростью. Разумеется, это не горение в буквальном смысле, а ядерные реакции. Процесс синтеза начинает ускоряться и происходить на все большем расстоянии от центра. Наглядно представить себе, как синтез захватывает все большие области, непросто. Но в результате ядро звезды становится еще плотнее, чем под действием гравитационного сжатия. Пока это происходит, яркость звезды растет, поскольку реакции синтеза, протекающие более интенсивно и на все большем расстоянии от центра, выделяют больше энергии, способной выбрасывать звездное вещество еще дальше. Как следствие, радиус звезды увеличивается, ее внешняя оболочка как бы раздувается, становясь более разрежённой и протяжённой. Более разрежённой и протяжённой. Изобразим оболочку исходной звезды белым цветом. Итак, в звезде с вырожденным гелиевым ядром реакции синтеза протекают быстрее и захватывают больше объема, выделяя при этом больше энергии, поэтому ее радиус значительно возрастает. Здесь недостаточно места, чтобы изобразить ее в нужном масштабе. Когда наше Солнце достигнет этой стадии развития, его диаметр увеличится примерно в 100 раз. Такая звезда называется «красный гигант». Звезда «краснеет» потому что, хотя нуклеосинтез в ней и протекает более бурно, однако выделяемая при этом энергия рассеивается на большей площади поверхности. Поэтому поверхность красного гиганта действительно становится холоднее, а значит, он излучает свет с большей длиной волны — более красный свет, чем обычная звезда. В центральной области исходной звезды ядерное «горение» не настолько бурное, как у красного гиганта, зато выделяемая энергия рассеивается в меньшем объеме, так что температура его поверхности выше, чем у красного гиганта. Температура его поверхности выше. Ядро звезды-гиганта горит сильнее — простите, ее ядро уже не горит, оно уже выгорело и теперь состоит из гелия. Оно становится все плотнее по мере того, как гелий сжимается. Но в слоях, окружающих ядро, водородный нуклеосинтез происходит более интенсивно и при более высокой температуре. Однако поверхность этого объекта не настолько горяча, из-за своих огромных размеров. Так что большее количество тепла в результате распределяется на гораздо большей поверхности звезды. И так далее: давление в ядре гиганта продолжает нарастать, поскольку в результате интенсификации синтеза количество гелия продолжает увеличиваться. Поэтому ядро продолжает сжиматься, и его температура также повышается. Ранее было сказано, что «зажигание» синтеза водорода происходит при температуре около 10 млн градусов Кельвина. Гелиевое ядро будет разогреваться, пока температура не достигнет порядка 100 млн градусов Кельвина. Все сказанное относится к звездам, чья масса сравнима с массой Солнца. Не все звезды достаточно массивны для того, чтобы их ядро сжалось настолько, что его температура вырастет до таких величин. Но допустим, такая температура достигнута. Тогда в конце концов звезда станет еще больше, при этом оставаясь в фазе красного гиганта (изобразим здесь эту огромную звезду), с гелиевым ядром, которое продолжает уплотняться и конденсироваться. Ядро окружено водородной оболочкой, в которой по-прежнему идут процессы синтеза гелия, или атмосферой звезды, изображенной желтым цветом. Продолжение процессов синтеза гелия из водорода с выделением энергии вынуждает эту оболочку увеличиваться в диаметре и расширяться. Температура ядра при этом также продолжает расти. И теперь мы подошли к вопросу об образовании во Вселенной все более тяжелых элементов. Все химические элементы, которые нас окружают, включая те, из которых мы состоим, произошли именно таким путем — из первичного водорода. Так вот, когда температура звезды делается достаточно высокой из-за чудовищного давления и достигает 100 млн кельвинов, в ядре звезды начинает «гореть» гелий. Тем самым активируется новый источник термоядерной энергии — слияние ядер гелия. Слияние ядер гелия. Теперь обсудим эту ситуацию. В звезде имеются гелий и водород, а также образуются всевозможные их комбинации. Однако в основном гелий участвует в синтезе с образованием углерода и кислорода, из которых затем формируются другие элементы. Это происходит сложным путем, но я бы не хотел вдаваться в детали, давайте просто посмотрим на периодическую таблицу. В последний раз я не смог ее найти, она как-то потерялась. Но мы видели, что в ядре атома водорода один протон и нет нейтронов. В звёздах главной последовательности водород синтезируется в гелий, ядро которого содержит два протона и два нейтрона: из четырех атомов водорода получается один атом гелия, если говорить о гелии-4, атомная масса которого равна четырем. Затем, когда температура звезды достигнет 100 млн градусов Кельвина, может начаться слияние ядер гелия. Нужно взять примерно три атома гелия, чтобы получить один атом углерода, только эта реакция идет не напрямую, а с синтезом и распадом промежуточных элементов. Также надо иметь как минимум четыре атома гелия, которые послужат сырьем для синтеза кислорода. Потом из этих элементов начинают образовываться все более и более тяжелые. Вернемся к красному гиганту: после начала ядерного горения гелия с образованием углерода и кислорода в звезде начинает формироваться углеродно-кислородное ядро. Но давайте здесь остановимся, поскольку я уже превысил 10-минутный предел. Однако задумайтесь, что произойдет дальше. Что происходит со звездой, у которой недостаточно массы для начала синтеза углерода и кислорода? А как будет развиваться сверхмассивная звезда, кислородно-углеродное ядро которой сможет разогреться до 600 млн градусов Кельвина, и в нем начнется синтез еще более тяжелых элементов? И давайте подумаем, что произойдет со звездой, похожей на наше Солнце, у которой никогда не будет массы и давления, достаточных для начала синтеза углерода и кислорода. Это и станет темой нашего следующего видео. Subtitles by the Amara.org community