Como um gigante vermelho pode crescer tanto?

Supostamente, quando o sol se tornar um gigante vermelho, ele crescerá grande o suficiente para engolir a Terra.

No entanto, isso requer que o raio do sol se expanda por um fator de aproximadamente 215 ×, o que significa que seu volume teria que expandir 10.000.000 ×.

Talvez seja só eu, mas algo sobre isso não parece intuitivo :-) especialmente porque o sol não está ganhando muita massa. Exatamente o que dizer de elementos de fusão mais pesados ​​que o hidrogênio implica que os reagentes e / ou produtos ocupam 10.000.000 × de volume? Ninguém explica isso ao explicar a vida estelar, e eu não entendo por que deveria ser o caso. (Na verdade, eu esperava que a fusão resultasse em uma diminuição no volume, considerando que os núcleos estão combinando ...)

Editar:

Parece que existem 2 tipos de gigantes vermelhos, alguns que ocorrem durante a fusão de hidrogênio, outros hélio.
Se a resposta for diferente para esses dois tipos, eu gostaria de saber pelo menos a resposta para o tipo de hélio (embora, é claro, eu apreciei uma que vá além e atenda a ambos).

Na minha opinião, nenhuma dessas explicações realmente cobre a verdadeira razão pela qual os gigantes vermelhos se expandem. Na verdade, esse assunto parece ser uma área em que as pessoas inventam qualquer coisa que pareça plausível, mas muitas vezes é bastante errada (Fraser Cain menciona pressão leve e um volume mais alto na concha de fusão, mas a pressão leve não tem nenhum papel). o volume do shell não é muito diferente do núcleo, que é bem menor que o núcleo do Sol). Então, vamos esclarecer a história.

Muitas das descrições incluem alguns dos elementos principais, incluindo o fato de você ter uma concha de fusão de hidrogênio no topo de um núcleo de hélio degenerado inerte. Mas a principal razão para a expansão é que a maneira como essa concha se auto-regula sua taxa de fusão é um pouco diferente da maneira como o núcleo do Sol está se auto-regulando sua fusão agora.

Agora, o núcleo do Sol se auto-regula sua taxa de fusão para corresponder à taxa em que a energia (na forma de luz) está se difundindo através da massa do Sol. A maneira como faz isso é essencialmente a mesma em todas as estrelas da sequência principal: elas regulam sua temperatura central, e é por isso que a temperatura do núcleo de estrelas mais luminosas da sequência principal é um pouco maior. Mas não é de todo o modo que a concha que se funde em um gigante vermelho se auto-regula sua taxa de fusão - ela não pode regular sua temperatura, porque a temperatura é transmitida pela gravidade do núcleo degenerado em que se encontra. (Isso define a temperatura através do teorema do virial, que é a principal maneira pela qual o núcleo degenerado afeta a concha - define sua temperatura.) Como a concha não regula sua própria temperatura, a temperatura tende a ser bastante alta, especialmente quando o núcleo ganha massa (é por isso que a luminosidade aumenta com o tempo). A fusão é muito sensível à temperatura; portanto, ficar preso a uma temperatura muito alta faz com que a taxa de fusão váfurioso . O resto da estrela não pode suportar essa taxa de fusão espetacular, então algo mais acontece.

A estrela sopra e, ao fazê-lo, encontramos a maneira como a concha regula sua própria taxa de fusão: levanta peso da concha . Isso reduz a pressão na concha, o que compensa a alta temperatura e reduz a taxa de fusão até o que o resto da estrela pode gerenciar (que é definido pela taxa de luz difusa na concha). Portanto, existe a verdadeira razão: a estrela deve encontrar uma maneira de tirar o peso de sua casca louca de alta temperatura para impedir que a taxa de fusão fique louca, mas o resultado é que a taxa de fusão ainda é bastante alta e aumenta conforme a massa do núcleo aumenta, forçando a temperatura da casca cada vez mais e forçando a estrela a inchar ainda mais.

Há uma boa descrição aqui . Lembre-se de que uma estrela é feita de gás (bem plasma, se você quiser ser exigente), para que não tenha um volume fixo. Uma vez iniciada a fusão, uma estrela se expandirá até atingir um tamanho em que possa equilibrar a quantidade de energia produzida pela fusão com a quantidade irradiada para longe da superfície. Se for muito pequeno, aquecerá, causando uma expansão que (dependendo de quais partes da estrela estão se expandindo) reduzirá a energia produzida e aumentará a quantidade irradiada. Uma compreensão mais detalhada disso requer acompanhar como a temperatura e a densidade variam com a profundidade da estrela.

Em um gigante vermelho, a energia está sendo produzida não no núcleo, mas em uma carcaça esférica em torno do núcleo (porque o núcleo está mais ou menos sem combustível). Este é realmente um volume maior, portanto, mais energia está sendo produzida. A estrela se expande até poder irradiar toda essa energia.

eu encontrei uma descrição com apenas quantidades moderadas de matemáticaespecialmente na página 132. Então, uma coisa é que você tem um núcleo de hélio, com a fusão de hidrogênio ocorrendo do lado de fora dele. Isso significa que há menos massa "acima" da camada de fusão; portanto, a fusão está realmente acontecendo a pressões mais baixas do que quando estava acontecendo no núcleo. Isso requer temperaturas mais altas nessa camada e, quando você faz as equações, uma produção total de energia muito maior. Esse fluxo de energia, seja como radiação ou convecção, atinge as camadas externas da estrela e as aquece inicialmente, fazendo com que elas se expandam (uma vez que a gravidade das estrelas é mais ou menos inalterada e, portanto, não pode derrubá-las com mais força). Na expansão, eles esfriam, o que significa que retêm mais radiação (o gás mais frio é menos transparente) e irradiam menos, e são aquecidos novamente e expandidos novamente. Isso continua até que um ponto de equilíbrio seja encontrado (ou não, para estrelas muito maiores que o sol, que podem explodir grande parte de sua massa dessa maneira) e, quando você faz os números, verifica-se que esse equilíbrio requer uma estrela muito grande. Talvez uma maneira de pensar é que uma estrela muito menos massiva que o sol apaga-se lentamente. Uma estrela muito mais massiva do que a sub explode. O Sol está posicionado entre os dois, então "quase explode", mas para quando suas camadas externas se tornam muito grandes.

Uma observação adicional é que a densidade nas partes superiores de um gigante vermelho é bastante baixa - para nossos padrões, é um vácuo decente, contaminado com gás em brasa. No entanto, porque a estrela é tão grande, ainda é opaca, por isso contamos isso como parte da estrela.

O tamanho da estrela em equilíbrio é um equilíbrio de forças, a pressão produzida pelo plasma quente, aquecida pelas reações nucleares no núcleo, equilibrada pela gravidade.

As taxas de fusão são fortemente afetadas pela temperatura. Aumente um pouco a temperatura e você terá muito mais energia saindo. À medida que o núcleo fica sem hidrogênio, ele começa a entrar em colapso e a aquecer, formando um núcleo de hélio degenerado inerte, cercado por uma concha de hidrogênio que queima rapidamente. Nesse novo equilíbrio, muito mais energia é liberada. Esse feedback positivo significa que o que parece ser uma pequena mudança (do núcleo para a queima da casca) tem um efeito maciço na produção de energia da estrela.

Agora, quando uma estrela evolui, ela gasta muito mais energia por segundo. Aldebaran produz 500 vezes mais energia por segundo que o sol, apesar de ser apenas um pouco maior.

Agora, isso faz com que a estrela aumente de tamanho, mas à medida que a estrela aumenta, as camadas externas ficam mais afastadas do centro de gravidade e, portanto, a força da gravidade sobre elas é reduzida, de acordo com a lei do quadrado inverso. Com menos gravidade, o crescimento no tamanho é amplificado. Portanto, um grande aumento no poder se torna um grande aumento no tamanho. É por isso que o crescimento em tamanho é muito maior do que a simples intuição sobre a expansão do gás quente poderia prever.

Nos estágios finais da evolução de uma estrela, o tamanho da estrela cresce sem limite, pois a gravidade da estrela não é suficiente para manter suas camadas externas ligadas à estrela e se torna uma nebulosa planetária.

A maneira intuitiva de pensar sobre isso é entender que existem várias mudanças que, em essência, amplificam uma à outra. Amplificação em astronomia não é tão incomum. Explica por que a gravidade pode tornar objetos maciços tão pequenos, porque à medida que o objeto maciço diminui, a gravitação e o peso do objeto aumentam exponencialmente. Em certo sentido, o oposto acontece com um gigante vermelho. A gravidade na superfície cresce baixa o suficiente para que a estrela entre em uma expansão de fuga.

A expansão da estrela no final de sua vida é exponencial. É por isso que pode se expandir tanto.

Se o sol dobrasse de tamanho, mas sua massa permaneceria inalterada. Nesse caso hipotético, a gravidade da superfície do novo Sol é dividida por 4. Sua velocidade de escape é dividida pela raiz quadrada de 2, então a camada externa tem muito menos peso, mas a velocidade de escape ainda a liga à estrela. Tudo sendo igual, expandir o sol deve fazer com que esfrie, mas usando a regra do quadrado médio da raiz para velocidade térmica, se a temperatura for dividida por 2, a velocidade das moléculas de hidrogênio e hélio é dividida pela raiz quadrada de 2.

Nesta teoria, os átomos de hidrogênio na superfície estão se movendo um pouco mais devagar, mas com 1/4 da gravidade, eles são mais livres e podem se afastar da estrela com base em sua velocidade térmica.

Se continuarmos expandindo o sol, chega um ponto em que o hidrogênio externo se torna incrivelmente frouxamente unido. No tamanho de um gigante vermelho, digamos, 1 AU em raio ou 215 raios solares atuais, a gravidade é 46.000 vezes menor e o hidrogênio na superfície experimenta apenas 0,006 m / s ^ 2 de aceleração gravitacional, mas essas mesmas moléculas de hidrogênio no gigante vermelho temperatura (cerca de 3.000 graus K), estão se movendo cerca de 5,5 km / s. Eles podem voar para longe da superfície por mais de um milhão de km com base apenas na energia térmica, em comparação com cerca de 100 km na superfície do sol atualmente (com base em pouco menos de 8 km / s).

Em ambos os casos, a camada externa de hidrogênio e hélio está em equilíbrio, é apenas que a gravidade e o tamanho do gigante vermelho são tão menores que, no gigante vermelho, o equilíbrio é este, muito frouxamente, que libera gás quente. Mas isso é apenas parte do motivo.

Considere o que mais acontece à medida que o sol envelhece.

Fonte .

O núcleo, onde a fusão ocorre, é uma região comparativamente pequena no centro. Enrolada ao redor do núcleo está a zona radiativa e a zona condutora. que ajudam a manter o calor da fusão preso dentro do sol. Como resultado, com o tempo, o interior do sol se torna mais quente e, à medida que se torna mais quente, o núcleo cresce e abrange cada vez mais a zona radiativa.

Se pensarmos na zona radiativa como uma espécie de manta que retém o calor dentro do sol, à medida que o núcleo cresce e se torna mais maciço, a zona radiativa é esticada e perde massa para o núcleo, tornando-se mais fina de duas maneiras. Se o tamanho do núcleo for dobrado, os fótons do núcleo terão que viajar por 1/4 da quantidade de moléculas. À medida que o sol envelhece o suficiente e a maior parte da fusão acontece na borda externa do núcleo, há significativamente menos cobertor para manter o calor preso. Não é tanto que mais energia está sendo criada, é que essa energia tem um caminho mais fácil para a região externa do sol. Portanto, você tem um efeito de amplificação, à medida que o sol aumenta, a gravidade da superfície cai pelo quadrado do raio e o calor interno tem menos material para passar para alcançar as camadas externas,

O colapso do núcleo interno também pode desempenhar um papel. Mesmo quando o núcleo interno fica sem hidrogênio para se fundir e começa a entrar em colapso, o ato de colapsar gera calor significativo.

Não tenho certeza se isso está claro, mas essa é minha tentativa de explicar o que acontece intuitivamente.