Красный карлик и белый гигант

Содержание

Белые карлики и красные гиганты

Все знают историю про Гулливера и лилипутов? Как сильно они отличались? Такая разница в размерах наблюдается и у звезд.

Типичные представители такого случая — белые карлики и красные гиганты. Пускай названия совсем разные, но связывает их нечто общее. Что? Отвечу позже. А пока рассмотрим поближе первого нашего героя — белого карлика.

Бе́лые ка́рлики

— проэволюционировавшие звёзды с массой, не превышающей предел Чандрасекара (максимальная масса, при которой звезда может существовать как белый карлик), лишённые собственных источников термоядерной энергии.

Белые карлики представляют собой компактные звёзды с массами, сравнимыми или большими, чем масса Солнца, но с радиусами в 100 раз меньшими, а соответсвенно и с меньшими уровнями светимости.

Название говорит само за себя — белого цвета, маленького размера (хотя не по человеческим меркам) звезды. Дата открытия первого карлика — 1785 год, астрономом Вильямом Гершелем. Хотя официально в отдельный список белых карликов ее ввели в 1910 году, заметив ее аномально низкую светимость (собственно говоря тогда этот список и создали).

Сколько же их открыли с тех пор? Сказать трудно, ибо сложно их заметить из-за низкой светимости. Но по предположениям ученых во вселенной их от 3% до 10%. Большой разброс, но ничего не поделать.

Возможно, вы уже спросили: как они рождаются? Ответом послужит та связь, которую я я в начале упоминал. Как вам идея, что гиганты перерождаются в карликов? Из гулливера в лилипута! А теперь по-порядку.

Красные гиганты

Кра́сный гига́нт — звезда с высокой светимостью и протяжённой оболочкой. Примерами красных гигантов являются Арктур, Альдебаран, Гакрукс и Мира A.

Температура излучающей поверхности (фотосферы) гиганта сравнима с нитью накаливания в лампочке, что ниже чем у Солнца. Однако их светимость значительно превышает солнечную, так как размеры заметно отличаются — диаметры красных гигантов составляют от 100 до 800 солнечных радиусов

Их излучение по большей части приходится на красную и инфракрасную часть спектра. Однако, вопреки названию, по факту мы видим их излучение не красным, а охристо-желтым.

Здесь нам название также стоит воспринимать прямо — большие и красные(ну почти красные). А теперь затронем ту самую связь с белыми карликами.

Эволюция

Что происходит когда звезда стареет?

Она начинает выгорать, причем все быстрее и быстрее, пока водород в ее недрах не кончится. В процессе выгорания ее светимость все более и более увеличивается, как и она сама, ее буквально раздувает. Так на свет из привычных нам звезд появляются красные гиганты.

И так, наш гигант достиг критического предела, водород иссяк, и термоядерные реакции прекратились. Постепенно звезда начинает сбрасывать в космос свою внешнюю оболочку, что в конце уонцов приводит к обнажению ядра. Это «мертвое» ядро по сути и является белым карликом, а сброшенная облочка нам видна в виде газовых туманностей вокруг белого карлика.

Прототуманность

Не имеющий собственных источников энергии карлик начинает остывать, и по сути со временем должен превратиться в так называемый черный карлик, но их еще не разу не наблюдали, время требуемое для остывания до такого состояния сравнимо с возрастом вселенной, если не больше.

Солнце ждет подобная учесть — сначала раздувание где то до орбиты Марса, а затем превращение в карлик в облаке газа… К счастью это произойдет через миллиарды лет, и ни нам, ни следующим поколениям беспокоится об этом не стоит.

ddut.hmstudio.ru

Красные гиганты и белые карлики

Астрономы располагают все звезды на особой диаграмме, называемой Цвет-Светимость. По оси абсцисс этой диаграммы откладывается температура звезд (по ряду исторических причин, в нуле абсцисс располагаются самые высокие температуры, дальше вдоль оси они уменьшаются).

Мы видели, что цвет звезд и их температура — это почти одно и то же, поэтому на оси абсцисс иногда еще изображают обыкновенную полосу спектра — от голубого до красного. По оси ординат откладывается светимость. Именно поэтому такая диаграмма и называется Цвет-Светимость (иногда — Спектр-Светимость). Давайте посмотрим, как будут располагаться те звезды, о которых мы до сих пор говорили, на этой диаграмме (а мы говорили о нормальных звездах, источником энергии которых является синтез гелия из водорода).

Самые высокие температуры имеют голубые звезды, они же обладают наибольшей светимостью. Следовательно, на нашей диаграмме их следует поместить в левом верхнем углу. Красные карлики расположатся в нижнем правом углу, у них маленькая температура и низкая светимость. Солнце расположится ближе к середине диаграммы. Видно, что все звезды, о которых мы говорим, располагаются вдоль одной линии. Эту линию принято называть Главной последовательностью.

Но оказывается, во Вселенной есть красные звезды огромных размеров, из-за чего их светимость сопоставима со светимостью голубых гигантов. Их называют красными гигантами. В то же время, в космосе обнаружено великое множество белых маленьких звезд, обладающих низкой светимостью из-за небольших размеров. Их называют белыми карликами. Памятуя о том, что цвет звезды однозначно определяется ее температурой поверхности, мы без труда поместим красные гиганты и белые карлики на нашей диаграмме (см. рисунок выше). Кроме всего этого, астрономы обнаружили некоторое относительно небольшое количество звезд, которые могут произвольно располагаться на нашей диаграмме.

У них также не наблюдается зависимости светимости от цвета, присущей звездам Главной последовательности. Дальше, мы попробуем выяснить, откуда берутся такие «неправильные» звезды. Все звезды большую часть жизни являются членами Главной последовательности. Говорят, что звезда на ней находится. После того, как в центральной части (ядре) звезды закончится водород, звезда перестанет обладать источником энергии. Ядро, которое теперь состоит в основном из гелия, начинает сжиматься под действием сил гравитации, так как нет больше сил, сдерживающих сжатие. Реакции же ядерного синтеза гелия из водорода продолжаются в тонком слое, примыкающем к ядру.

Сжатие ядра приводит, как и при рождении звезды, к увеличению давления и температуры, а повышение температуры вызывает ускорение ядерного синтеза в слое, граничащем с ядром (вспомним, что в горячих звездах эти реакции протекают быстрее). Энергия, высвобождаемая в результате сжатия ядра и горения водорода, увеличивает давление, идущее из центра звезды, под действием него звезда расширяется до гигантских размеров.

При этом, плотность и температура внешних слоев падает. Мы получаем огромную (и из-за этого яркую) холодную красную звезду — красный гигант. Звезда не сразу становится таковым. Если в каждый момент времени описывать ее состояние положением на диаграмме Цвет-Светимость, то звезда оставит на ней след (трек), ведущий от Главной последовательности к области красных гигантов. Звезда проходит бесчисленное число состояний, каждое из которых описывается положением на диаграмме. Говорят, что звезда покидает Главную последовательность и перемещается в область красных гигантов. Такими звездами, в частности, являются Бетельгейзе (альфа Ориона) и Антарес, самая яркая звезда в созвездии Скорпиона.

У них небольшое гелиевое ядро, слой горящего водорода (где происходит синтез гелия) и сильно разряженные вышележащие слои. Диаметр Антареса превосходит солнечный в 400 раз. Если бы Солнце раздулось до таких размеров, то погребенными в верхних слоях его остались бы Меркурий, Венера, Земля, Марс и множество астероидов. Именно такая участь уготована Солнечной системе. На этом этапе жизни звезда часто становится переменной — у нее периодически или неправильным образом меняются размеры и светимость. Звезды как бы пульсируют. Есть несколько видов переменных, для некоторых из них установлены важные соотношения между их светимостью и периодом, в течение которого они меняют свой блеск. Самым известным типом переменных звезд являются цефеиды — большие и яркие желтые звезды. Период колебания их яркости пропорционален светимости.

Зная, что к группе каких-то звезд, находящихся рядом в пространстве, принадлежит цефеида, мы всегда сможем найти расстояние до этих звезд, высчитав светимость цефеиды из периода колебаний ее блеска. Так как цефеиды — яркие звезды, их различают даже в ближайших галактиках, тем самым, точнее определяя расстояния до них. Цефеиды получили свое название от звезды Дельта Цефея — первой открытой переменной такого типа. Полярная звезда тоже является цефеидой.

www.o8ode.ru

Красные гиганты, Белые карлики и Туманности — Звезды

Указанные три небесных объекта генетически связаны между собой, можно сказать, между ними имеются родственные связи. На определенной стадии своей эволюции огромный красный гигант (радиус его больше радиуса Солнца в 21 раз) сбрасывает с себя внешнюю часть вещества и вместо него остается только голое ядро красного гиганта радиусом всего около 10 километров, но со сверхплотным веществом внутри. Это белый карлик. Сброшенное красным гигантом вещество (газ) определенное время остается видимым и является не чем иным, как туманностью. На рисунке 8 показана туманность «Летящая». Эту связь красных гигантов, белых карликов и туманностей установил советский астрофизик И.С. Шкловский.

Красные гиганты и белые карлики отличаются от всех других обычных звезд тем, что в них не соблюдается известная связь между светимостью и поверхностной температурой. У красных гигантов поверхностная температура сравнительно невелика (всего 3500 К), тогда как светимость очень высокая. Если бы красные гиганты были обычными звездами, то они при их поверхностной температуре светились бы намного менее ярко. Эта особенность красных гигантов обусловлена их строением, тем, что они добывают энергию для своего свечения совсем другим путем, нежели обычные звезды.

Красный гигант – звезда старая, в которой водород весь выгорел в результате ядерных реакций и превратился в гелий. Дальнейшие реакции превращения гелия в более тяжелые химические элементы идти там не могут из-за недостаточной для этого температуры.

Ядро красного гиганта очень небольшое: его радиус составляет всего около одной тысячной радиуса самой звезды. Следует сказать, что по мере эволюции звезды масса и размеры ее конвективного ядра постепенно уменьшаются. Но в ядре плотность вещества огромная (около 300 килограммов в кубическом сантиметре). Температура вещества ядра звезды составляет сорок миллионов кельвинов. И тем не менее ядро красного гиганта не является термоядерной печью, которая снабжает энергией всю звезду. В нем до этого успело выгореть все горючее. Поскольку в ядре нет бурных процессов, связанных с термоядерными реакциями, температура во всех его частях одинакова, то есть оно является изотермичным.

Энергия красного гиганта вырабатывается в весьма тонкой оболочке (толщина ее намного меньше толщины ядра звезды), которая окружает ядро. В этом слое температура вещества звезды уменьшается от 40 миллионов кельвинов в ядре до 25 миллионов кельвинов снаружи слоя. Плотность вещества в этой оболочке в несколько тысяч раз меньше, чем в ядре звезды. Энергия в этом слое выделяется в результате происходящих там температурных реакций углеродно-азотного цикла. Характерным для этих реакций является то, что углерод в них не расходуется, хотя и участвует в реакциях. Он является катализатором. Цикл реакций начинается взаимодействием углерода с ядром водорода – протоном, а заканчивается (в шестой реакции) образованием того же ядра углерода, но вместе с ядром гелия (то есть альфа-частицей). «Сухой остаток» этих реакций – превращение довольно сложным путем водорода в гелий и выделение при этом соответствующей энергии.

Выделяющаяся энергия передается от оболочки, где происходят термоядерные реакции, наружу путем лучеиспускания. Но таким путем она может пробиться только на расстояние около одной десятой радиуса звезды. Дальше лучистый перенос энергии становится неэффективным из-за большой непрозрачности вещества звезды. Поэтому дальнейший перенос энергии наружу происходит путем конвекции вещества.

У Солнца, например, конвективная зона занимает относительно небольшой по толщине слой, тогда как у красного гиганта большая часть «тела» звезды находится в состоянии конвекции.

Описанное строение красного гиганта очень оптимально в смысле долговечности звезды. То, что звезда имеет очень плотное ядро, позволяет ей очень продолжительное время удерживать остальное вещество звезды, находящееся выше. Столь плотное ядро практически не сжимается, поэтому оно не нагревается. В течение длительного времени в ядре звезды не наступает термоядерная реакция превращения гелия в углерод. Эта реакция идет при температурах порядка сотен миллионов кельвинов. Она идет в несколько этапов. Вначале сталкивающиеся ядра гелия будут образовывать радиоактивный изотоп бериллия, который при столкновении с еще одной альфа-частицей с высокой энергией образует устойчивый изотоп углерода. При этом выделяется очень большая энергия: 7,3 миллиона электрон-вольт.

Когда температура ядра красного гиганта по каким-то причинам увеличится до необходимой величины – сотен миллионов кельвинов, начнется превращение гелия в углерод, при котором выделяется огромное количество энергии. Это так называемая гелиевая вспышка звезды. Когда в ядре выгорит весь гелий, реакция продолжается только в относительно тонком слое, который окружает выгоревшее во второй раз ядро. Напомним, что ядро окружено и другой оболочкой большего радиуса, в котором идут термоядерные реакции углеродно-азотного цикла, причем водород продолжает превращаться в гелий. Было установлено, что масса гелиевого ядра красного гиганта перед началом гелиевой вспышки практически не зависит от полной массы звезды и составляет около половины массы Солнца.

После гелиевой вспышки (точнее, после выгорания гелия в самом ядре) красный гигант становится звездой с «двухслойным» источником ядерной энергии. Оба слоя описаны выше. С увеличением выделения энергии внутри звезды увеличивается и ее светимость. Светимость красного гиганта достигает нескольких тысяч светимостей Солнца (вместо 225 раз до гелиевой вспышки). В результате всего этого звезда «раздувается», а радиус ее катастрофически растет. Если вначале он был равен 21 радиусу Солнца, то сейчас размеры красного гиганта едва вместились бы внутри орбиты Земли.

Водородная оболочка постепенно смещается наружу. Со временем внутри нее (в ядре) сосредоточено уже 70 % всей массы звезды. Красный гигант с двумя слоями энерговыделения может еще продержаться около миллиона лет. После затухания ядерных реакций наружная оболочка звезды отторгается от ядра и превращается в туманность. В веществе образовавшейся планетарной туманности много водорода. Планетарная туманность расширяется со скоростью около 30 км/с. На основании этого факта можно подсчитать, что отрыв наружных слоев звезды произошел на расстоянии от ядра около одной астрономической единицы (когда звезда сравнялась в размерах с орбитой Земли). В этих расчетах принималось, что масса внутренней части звезды равна 0,8 массы Солнца.

Почему и как происходит сброс наружных слоев красных гигантов? Полной теории этого явления в настоящее время еще нет. Вопрос очень непростой. Но ясны причины, которые могли бы вызвать этот сброс. Одна из них – очень высокое световое давление, создаваемое излучением ядра звезды. Отрыв оболочки может произойти и в результате неустойчивостей ее вещества. Поскольку размеры оболочки огромны, то такая неустойчивость должна вызвать колебательные процессы, что, в свою очередь, должно привести к изменению теплового режима вещества оболочки. Отрыв оболочки звезды от ядра мог бы произойти и в результате сильной конвективной неустойчивости. Она могла развиться как результат ионизации водорода под фотосферой звезды. Так или иначе, отрыв оболочки от ядра происходит, и образуется планетарная туманность. Но красные гиганты поставляют в межзвездную среду не только туманности, но и пылевые частицы – космическую пыль. Пылинки образуются в холодных протяженных атмосферах красных гигантов. Здесь для этого имеются условия, поскольку значительная часть газа находится в молекулярном состоянии. Это подтверждается измерениями инфракрасного излучения от планетарных туманностей. Результаты этих измерений показывают, что имеется значительный избыток этого излучения, исходящего от пылевых частиц. Из газовой среды пылинки образоваться не могут, поскольку газ является горячим и хорошо перемешанным.

Теперь нам предстоит рассмотреть ядро красного гиганта, которое после отрыва оболочки превратилось в своеобразную звезду – белого карлика.

Ядро красного гиганта состоит из вещества в особом состоянии, которое обусловлено экстремальными условиями в ядре. Газ в таком состоянии называется «вырожденным». Он является порождением квантово-механических процессов в веществе, и, к сожалению, сущность его принципиально нельзя понять (и объяснить) на основании только классической физики.

Что же представляет собой вырожденный газ?

В ядре красного гиганта находится ионизованный газ большой плотности. Именно из-за того, что эта плотность очень большая, орбитальные электроны в атомах газа движутся не так, как в атомах при обычном давлении. Движение орбитальных электронов регулируется (определяется) набором квантовых чисел. Таких чисел 4. Одно (главное) определяет энергию электрона в атоме, второе фиксирует значение орбитального вращательного момента электрона, третье – проекцию этого момента на направление магнитного поля, четвертое определяет величину собственного вращательного момента, его спин. Это можно сравнить с номерами на автомашине, состоящими из 4 цифр. Имеется железное правило: не может быть двух квантово-механических систем с точно одинаковыми квантовыми числами (как не может быть двух машин с точно одинаковыми номерами). Это можно пояснить и по-другому. Первые три цифры (квантовые числа) однозначно задают траекторию частицы. Ведь элементарная частица может двигаться только по определенным траекториям, а не по любым. Это относится не только к электронам в атоме, которые движутся по своим орбитам, но и к электронам в куске металла, которые давно потеряли свои родные атомы и движутся, входя в сообщество (ансамбль) себе подобных. Для этих электронов в металле квантовый закон (принцип Паули) определяет четкие траектории. При обычных условиях, то есть при обычном давлении, когда частиц не больше, чем отведенных для них траекторий, ничего особенного не происходит: каждый электрон движется по отведенной ему траектории. Но мы знаем, что частицы газа могут двигаться быстрее или медленнее, в зависимости от температуры газа и объема, который он занимает. Известно также, что если увеличить температуру газа, то скорости движения его частиц увеличатся. Как связаны давление газа, его температура и объем, определяется хорошо известными газовыми законами или, как их называют, законами идеального газа. Но при слишком высокой плотности вещества, когда элементарных частиц (электронов) становится больше, чем для них отведено траекторий, газ перестает подчиняться этим законам. Это очень серьезно, так как газ перестает вести себя так, как он должен себя вести, и его поведение выходит за рамки всякого смысла. Надо добавить слово «здравого». Но известно, что квантовая механика и была создана вопреки здравому смыслу. Тем не менее ее законам подчиняется движение элементарных частиц, в том числе и в таких экстремальных условиях. Так вот, когда электронов больше, чем отведенных для них дорожек, принцип Паули разрешает им вставать на одну дорожку не по одному, а по четыре. При обычном давлении на одной траектории, которая задается полностью тремя квантовыми числами, находятся два электрона, но они отличаются своими четвертыми квантовыми числами. Грубо говоря, по одной дорожке бегут два электрона: один электрон вращается при этом влево, а другой – вправо. Говорят, что их спины разные, противоположные (английское слово «спин» означает «вращение»). Именно четвертое квантовое число частицы и определяет ее спин. Так вот, при очень высоком давлении из-за дефицита дорожек разрешается занимать одну и ту же дорожку не только двум электронам, которые имеют противоположное вращение вокруг своей оси, но еще двум электронам дополнительно, но с одним категорически строгим требованием: они должны бежать быстрее первых двух с тем чтобы им не мешать. Насколько им надо бежать быстрее, электроны определяют сами, то есть они бегут быстрее «по необходимости». Но, подчиняясь этому требованию, электроны тем самым не имеют возможности подчиняться газовым законам. Так, в обычном газе скорость частиц становится очень маленькой, когда уменьшается температура газа. При этом уменьшается и давление газа. Совсем другое дело, когда уменьшается температура этого сверхплотного газа (его называют вырожденным). Так как частицам не разрешается уменьшать свои скорости с понижением температуры газа, то не уменьшается и давление газа. Ведь давление газа на определенную стенку создается ударами частиц об эту стенку. Раз скорости большие, то и удары сильные. В результате высокое давление. И это при низкой температуре. Это в корне противоречит газовым законам. Но не противоречит наблюдениям. Так, ядра красных гигантов состоят из вырожденного газа. Естественно, что когда они превращаются в самостоятельные звезды – белые карлики, они по-прежнему состоят из вырожденного газа. Поэтому поведение белых карликов длительное время ставило специалистов в тупик. Не удавалось с помощью газовых законов объяснить условия внутри белого карлика.

Белые карлики имеют массу, приблизительно равную массе Солнца, а размеры, равные размерам Земли. Отсюда ясно, насколько вещество уплотнено! В кубическом сантиметре упаковано до десятка тонн вещества. Но при таких условиях температура звезды должна быть огромной, а значит, она должна и сильно светить. А карлики светят в сотни и тысячи раз слабее, чем Солнце. В этом и был парадокс, пока не поняли, что причиной этому является вырожденное состояние газа, из которого состоит белый карлик. Белый карлик живет по законам вырожденного газа, и никакого парадокса, оказывается, нет.

Равновесное состояние обычных звезд (когда они не сжимаются и не расширяются) определяется температурой вещества звезды. В случае белых карликов температура в этом плане вышла из игры, она не влияет на равновесное состояние звезды, поскольку из повиновения ей вышли частицы, создающие давление. А равновесие обеспечивается определенным давлением. По законам вырожденного газа (в соответствии с принципом Паули) давление его определяется только плотностью газа. Соотношение между плотностью вырожденного газа и его давлением и заменяет уравнение Клапейрона, которому подчиняются идеальные газы. Причем давление, которое теперь никак не зависит от температуры, зависит от плотности не как первая степень последней, а намного сильнее: давление пропорционально плотности в степени 5/3. Это отражает тот факт, что давление (а значит, и скорость частиц) с добавлением новых частиц (то есть увеличением плотности) должно расти так, чтобы частицы увеличивали свою скорость настолько («по необходимости»), чтобы по их траекториям могли еще побежать и новые частицы, которые уже являются «избыточными». Именно наличие избыточных частиц в газе и делает его вырожденным. Раз известен закон поведения вырожденного газа, то можно вычислить, при какой плотности и температуре газ становится вырожденным. Такие подсчеты дают, что при температуре около 10 миллионов кельвинов, которая достигается в недрах звезд, газ должен становиться вырожденным, если его плотность превышает 1 килограмм в кубическом сантиметре. Как известно, в недрах обычных звезд плотность газа меньше, поэтому он является невырожденным и вполне подчиняется обычным законам газового состояния. Белые карлики состоят из полностью вырожденного газа. Только снаружи у них имеется тонкая оболочка из «обычного» газа. Именно поэтому структура белых карликов не зависит от их светимости, как это имеет место у обычных звезд. Белый карлик может оставаться самим собой даже при абсолютном нуле, поскольку его светимость не зависит от массы. Но одной зависимости карлики подчиняются строго: размеры белых карликов с одинаковой массой также должны быть одинаковы. Для других звезд такая зависимость отнюдь не обязательна. Там все определяет температура.

Далее, чем больше масса белого карлика, тем меньше его радиус. Значит, при какой-то предельной массе карлик вообще может сжаться в точку? Согласно теоретическим исследованиям, в природе не может быть белых карликов с массой более чем 2,2 массы Солнца. Кстати, если все же массу белого карлика сильно увеличивать, то избыточных электронов в вырожденном газе становится все больше и больше. Чтобы не мешать друг другу при движении по одним и тем же дорожкам, они должны все больше и больше наращивать свои скорости, пока они не станут приближаться к скорости света. Но при этом вещество меняет свое качество. Новое его состояние называется «релятивистским вырождением». Оно описывается уже другим уравнением, в котором зависимость давления от плотности менее сильная (как степень 4/3). При строго определенной массе звезды давление вырожденного газа звезды будет точно уравновешиваться силой гравитации, и звезда застабилизируется. Если масса звезды больше этого значения, то сила гравитации превысит давление газа и белый карлик вынужден будет сжаться «в точку».

Если масса звезды меньше критической, то она расширится и ее размеры установятся в тех пределах, когда звезда стабилизируется, то есть сила гравитации в точности стабилизируется давлением газа.

Остается неясным, как это звезда может сжаться «в точку». Этот вопрос очень непростой, но в то же время захва-тывающе интересный. Скажем сразу, что превратиться в точку звезда не может. Чрезмерное ее сжатие приведет к преобразованию ее в «черную дыру».

www.walkinspace.ru

Красный гигант — это… Что такое Красный гигант?

Кра́сные гига́нты и сверхгига́нты — звёзды поздних^[1]спектральных классов с высокой светимостью и протяжёнными оболочками.

Наблюдаемые характеристики красных гигантов

К красным гигантам относят звёзды спектральных классов K и M классов светимости III и I соответственно, то есть с абсолютными звёздными величинами у красных гигантов и у красных сверхгигантов. Температура излучающей поверхности (фотосферы) красных гигантов сравнительно невелика () и, соответственно, поток энергии с единицы излучающей площади невелик — в 2—10 раз меньше, чем у Солнца. Однако, светимость таких звёзд может достигать , так как красные гиганты и сверхгиганты имеют очень большие радиусы. Характерные радиусы красных гигантов и сверхгигантов — от 100 до 800 солнечных радиусов.

Спектры красных гигантов характеризуются наличием молекулярных полос поглощения, максимум излучения приходится на красную и инфракрасную области спектра.

Происхождение и строение красных гигантов

«Молодые» и «старые» красные гиганты

Звёзды в процессе своей эволюции могут достигать поздних спектральных классов и высоких светимостей на двух этапах своего развития: на стадии звёздообразования и поздних стадиях эволюции. Стадия, на которой молодые звёзды наблюдаются как красные гиганты, зависит от их массы — этот этап длится от ~ 10

3 лет для массивных звёзд с массами и до ~ 10⁸ лет для маломассивных звёзд с . В это время звезда излучает за счёт гравитационной энергии, выделяющейся при сжатии. По мере сжатия температура поверхности таких звёзд растёт, но, вследствие уменьшения размеров и площади излучающей поверхности, падает светимость. В конечном итоге, в их ядрах начинается реакция термоядерного синтеза гелия из водорода, и молодая звезда выходит на главную последовательность.

На поздних стадиях эволюции звёзд, после выгорания водорода в их недрах, звёзды сходят с главной последовательности и перемещаются в область красных гигантов и сверхгигантов диаграммы Герцшпрунга — Рассела: этот этап длится ~ 10 % от времени «активной» жизни звёзд, то есть этапов их эволюции, в ходе которых в звёздных недрах идут реакции нуклеосинтеза. Звёзды главной последовательности с массами превращаются сначала в красные гиганты, а затем — в красные сверхгиганты; звёзды с — непосредственно в красные сверхгиганты. Перед тем, как перейти в стадию красного гиганта, звезда проходит промежуточную стадию — стадию субгиганта. Субгигант — это звезда, в ядре которой уже прекратились термоядерные реакции с участием водорода, но горение гелия ещё не началось, так как ядро недостаточно разогрето.

В современной астрофизике термин красные гиганты относится, как правило, к таким проэволюционировавшим звёздам, сошедшим с главной последовательности; молодые звёзды, не вышедшие на главную последовательность, обобщённо называют протозвёздами или по конкретному типу, например, звёзды типа T Тельца.

Строение красных гигантов, неустойчивости в их оболочках и потеря ими массы

Протопланетарная туманность HD 44179: асимметричный выброс газопылевой материи красным гигантом.

И «молодые», и «старые» красные гиганты имеют схожие наблюдаемые характеристики, объясняющиеся сходством их внутреннего строения — все они имеют горячее плотное ядро и очень разреженную и протяжённую оболочку (англ. envelope). Наличие протяжённой и относительно холодной оболочки приводит к интенсивному звёздному ветру: потери массы при таком истечении вещества достигают в год. Интенсивному звёздному ветру способствует несколько факторов:

Высокая светимость красных гигантов в сочетании с огромной протяжённостью их атмосфер (радиусы в ) приводит к тому, что на границах их фотосфер давление излучения на газовую и пылевую компоненты их оболочек становится соизмеримым с силами тяготения, что вызывает вынос вещества.
Ионизация областей оболочек, лежащих ниже фотосферы, делает их существенно непрозрачными для электромагнитного излучения, что приводит к конвекционному механизму переноса энергии. Аналогичную природу имеет солнечная активность, в случае же красных гигантов мощность конвективных потоков должна значительно превосходить солнечную.
В протяжённых звёздных оболочках могут развиваться неустойчивости, приводящие к сильным колебательным процессам, сопровождающимся изменением теплового режима звезды. На Рис. 2 чётко заметны волны плотности выброшенной звездой материи, которые могут быть следствиями таких колебаний. Периодические колебания оболочек во многих случаях приобретают заметный с огромных расстояний масштаб: многие «старые» красные гиганты являются пульсационными переменными (см. ниже), переменными являются также и некоторые «молодые красные гиганты» типа T Тельца.

Конвективные механизмы могут приводить к выносу в атмосферу звезды продуктов нуклеосинтеза из внутренних ядерных источников, что является причиной наблюдаемых аномалий химического состава красных гигантов, в частности, повышенного содержания углерода.

Ядерные источники энергии и их связь со строением красных гигантов

В процессе эволюции звёзд главной последовательности происходит «выгорание» водорода — нуклеосинтез с образованием гелия (см. Протон-протонный цикл, цикл Бете). Такое выгорание приводит к прекращению энерговыделения в центральных частях звезды, сжатию и, соответственно, к повышению температуры и плотности в её ядре. Рост температуры и плотности в звёздном ядре ведёт к условиям, в которых активируется новый источник термоядерной энергии: выгорание гелия (

тройная гелиевая реакция или тройной альфа-процесс), характерный для красных гигантов и сверхгигантов.

При температурах порядка 10⁸ К кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера: два ядра гелия (альфа-частицы) могут сливаться с образованием нестабильного изотопа бериллия Be⁸:

He⁴ + He⁴ = Be⁸

Большая часть Be⁸ снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении Be⁸ с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода C¹²:

Be⁸ + He⁴ = C¹² + 7,3 МэВ.

Несмотря на весьма низкую равновесную концентрацию Be⁸ (например, при температуре ~10⁸ К отношение концентраций Be⁸/He

4 ~10⁻¹⁰), скорость тройной гелиевой реакции оказывается достаточной для достижения нового гидростатического равновесия в горячем ядре звезды. Зависимость энерговыделения от температуры в тройной гелиевой реакции чрезвычайно высока: так, для диапазона температур ~1—2·10⁸ К энерговыделение :

где — парциальная концентрация гелия в ядре (в рассматриваемом случае «выгорания» водорода близка к единице).

Начало тройной гелиевой реакции в вырожденных ядрах маломассивных (масса до ~2,25 солнечных) красных гигантов имеет взрывоподобный характер, что приводит к резкому, но очень кратковременному (~10⁴—10⁵ лет) росту их светимости — гелиевой вспышке.

Следует, однако, отметить, что тройная гелиевая реакция характеризуется значительно меньшим энерговыделением, чем цикл Бете: в пересчёте на единицу массы энерговыделение при «горении» гелия более чем в 10 раз ниже, чем при «горении» водорода. По мере выгорания гелия и исчерпания источника энергии в ядре возможны и более сложные реакции нуклеосинтеза, однако, во-первых, для таких реакций требуются все более высокие температуры и, во-вторых, энерговыделение на единицу массы в таких реакциях падает по мере роста массовых чисел ядер, вступающих в реакцию.

Дополнительным фактором, по-видимому, влияющим на эволюцию ядер красных гигантов, является сочетание высокой температурной чувствительности тройной гелиевой реакции (см. Рис. 3) и реакций синтеза более тяжёлых ядер, с механизмом нейтринного охлаждения: при высоких температурах и давлениях возможно рассеяние фотонов на электронах с образованием нейтрино-антинейтринных пар, которые свободно уносят энергию из ядра: звезда для них прозрачна. Скорость такого объёмного нейтринного охлаждения, в отличие от классического поверхностного фотонного охлаждения, не лимитирована процессами передачи энергии из недр звезды к её фотосфере. В результате реакции нуклеосинтеза в ядре звезды достигается новое равновесие, характеризующееся одинаковой температурой ядра: образуется изотермическое ядро (Рис. 1).

Завершающие стадии эволюции красных гигантов

Пути эволюции красных гигантов в зависимости от их массы
Масса	Ядерные реакции	Процессы в ходе эволюции	Остаток
0,5—2,5	Водородный слоевой источник	Образуется вырожденное гелиевое ядро, оболочка рассеивается	He-белый карлик с массой до 0,5 солнечных
2,5—8	Двойной слоевой источник	Образуется вырожденное СО-ядро с массой до 1,2 солнечных, на стадии асимптотической ветви гигантов происходит сброс оболочки с образованием планетарной туманности, наблюдающейся ~10⁴ лет В некоторых случаях углеродная детонация ядра, наблюдающаяся как вспышка сверхновой типа I	СО-белый карлик массой 0,6—0,7 солнечных, Планетарная туманность Звезда полностью рассеивается при вспышке
8—12	Двойной слоевой источник, затем «загорание» углерода в недрах	«Горение» углерода останавливается из-за вырождения O-Ne-Mg ядра, оболочка рассеивается	O-Ne-Mg-белый карлик с массой, близкой к пределу Чандрасекара
12—30	Вырождение в ядре не наступает и нуклеосинтез идёт вплоть до образования элементов железного пика (Fe, Co, Ni)	Ядро с массой 1,5—2 солнечных коллапсирует в нейтронную звезду, коллапс наблюдается как вспышка сверхновой типа II (при наличии протяжённой водородной оболочки) или Ib/с (коллапс ядра звезды Вольфа — Райе), сброшенная оболочка в течение ~10⁴ лет наблюдается как остаток сверхновой	Нейтронная звезда
> 30	Процессы неясны	Процессы неясны	Чёрная дыра с массой до 10 солнечных?

Солнце как красный гигант

Жизненный цикл Солнца

В настоящее время Солнце является звездой среднего возраста, и возраст Солнца оценивается приблизительно в 4,57 миллиарда лет. Солнце будет оставаться на Главной последовательности ещё приблизительно 5 миллиардов лет, постепенно увеличивая свою яркость на 10% каждый миллиард лет, после чего водород в ядре будет исчерпан. После этого температура и плотность в солнечном ядре повысятся настолько, что начнётся горение гелия, и гелий начнёт превращаться в углерод. Размеры Солнца вырастут как минимум в 200 раз, то есть почти до современной земной орбиты (0,93 а.е).^[2]^[3]^[4]Меркурий и Венера, несмотря на сильную потерю массы Солнца к моменту перехода им на стадию красного гиганта, будут им поглощены и полностью испарятся. Земля, если не разделит их судьбу, будет разогрета настолько, что шансов на сохранение жизни не будет никаких. ^[5]^[6]. Океаны же испарятся задолго до перехода Солнца на стадию красного гиганта, приблизительно через 1,1 миллиарда лет.^[7]

На стадии красного гиганта Солнце будет находиться приблизительно 100 миллионов лет, после чего превратится в планетарную туманность, и далее станет белым карликом.

Размеры Солнца через 5 миллиардов лет и современные размеры Солнца

Радиально пульсирующие долгопериодические переменные типа Ми́ры — омикрона Кита (Long Period Variables M, Omicron Ceti-type) — гиганты спектрального класса М с периодом от 80 до более 1000 дней и вариациями блеска от 2.5^m до 11^m, в спектрах присутствуют эмиссионные линии.
SR — полуправильные пульсирующие переменные гиганты спектрального класса М (типа Z UMa) с периодом от 20 дней до нескольких лет и вариациями блеска ~ 3^m,
SRc — полуправильные пульсирующие переменные сверхгиганты спектрального класса М (типа Cep).
Lb — неправильные медленные пульсирующие переменные гиганты спектрального класса K, M, C, S (типа CO Cyg)
Lc — неправильные медленные пульсирующие переменные сверхгиганты спектрального класса M (типа TZ Cas) с вариациями блеска ~ 1^m

См. также

Литература

Примечания

dic.academic.ru

Красный гигант Википедия

Рис. 2. Строение звезды главной последовательности солнечного типа и красного гиганта с изотермическим гелиевым ядром и слоевой зоной нуклеосинтеза (масштаб не соблюдён)

Кра́сный гига́нт — звезда поздних^[1]спектральных классов с высокой светимостью и протяжёнными оболочками. Примерами красных гигантов являются Арктур, Альдебаран, Гакрукс и Мира.

Наиболее распространенными красными гигантами являются звезды, находящиеся на диаграмме Герцшпрунга — Рассела вблизи конца так называемой ветви красных гигантов (в английской терминологии: RGB, red giant branch), но продолжающие процесс слияния водорода в гелий в оболочке, окружающей вырожденное гелиевое ядро. Другие красные гиганты: звёзды красного сгущения (на рисунке отмечено как RC, от англ. red clump) в холодной половине горизонтальной ветви, в ядрах которых происходит слияние гелия-4 в углерод-12 посредством тройной альфа-реакции; и звёзды асимптотической ветви гигантов (на рисунке отмечена как AGB, от англ. asymptotic giant branch), в которых термоядерное горение гелия происходит во внешней оболочке вырожденного углерод-кислородного ядра (иногда и с горением водорода в более внешней оболочке ядра)^[2].

Наблюдаемые характеристики[ | ]

К красным гигантам относят звёзды спектральных классов K и M класса светимости III, то есть с абсолютной звёздной величиной 0m≥MV≥−3m{\displaystyle 0^{m}\geq M_{V}\geq -3^{m}}. Температура излучающей поверхности (фотосферы) красных гигантов сравнительно невелика (T_ph ≈ 3000—5000 K) и, соответственно, поток энергии с единицы излучающей площади невелик — в 2—10 раз меньше, чем у Солнца. Однако полная светимость таких звёзд может достигать 10⁵—10⁶L_☉, так как красные гиганты и сверхгиганты имеют очень большие размеры и, соответственно, площади поверхности. Характерный радиус красных гигантов — от 100 до 800 солнечных радиусов, что соответствует площади поверхности в 10⁴—10⁶ раз больше солнечной. Так как температура фотосферы красного гиганта близка к температуре спирали лампы накаливания (≈3000 К), красные гиганты, вопреки своему названию, аналогично лампам, испускают свет не красного, а скорее охристо-желтоватог

ru-wiki.ru

Красный гигант — WiKi

Наблюдаемые характеристики

К красным гигантам относят звёзды спектральных классов K и M класса светимости III, то есть с абсолютной звёздной величиной 0m≥MV≥−3m{\displaystyle 0^{m}\geq M_{V}\geq -3^{m}} . Температура излучающей поверхности (фотосферы) красных гигантов сравнительно невелика (T_ph ≈ 3000—5000 K) и, соответственно, поток энергии с единицы излучающей площади невелик — в 2—10 раз меньше, чем у Солнца. Однако полная светимость таких звёзд может достигать 10⁵—10⁶L_☉, так как красные гиганты и сверхгиганты имеют очень большие размеры и, соответственно, площади поверхности. Характерный радиус красных гигантов — от 100 до 800 солнечных радиусов, что соответствует площади поверхности в 10⁴—10⁶ раз больше солнечной. Так как температура фотосферы красного гиганта близка к температуре спирали лампы накаливания (≈3000 К), красные гиганты, вопреки своему названию, аналогично лампам, испускают свет не красного, а скорее охристо-желтоватого оттенка.

Спектры красных гигантов характеризуются наличием молекулярных полос поглощения, поскольку в их относительно холодной фотосфере некоторые молекулы оказываются устойчивыми. Максимум излучения приходится на красную и инфракрасную области спектра.

Происхождение и строение

«Молодые» и «старые»

Звёзды в процессе своей эволюции могут достигать поздних спектральных классов и высоких светимостей на двух этапах своего развития: на стадии звездообразования и поздних стадиях эволюции.

Стадия, на которой молодые звёзды наблюдаются как красные гиганты, зависит от их массы — этот этап длится от ~ 10³ лет для массивных звёзд с массами М ≈ 10 M_☉ и до ~ 10⁸ лет для маломассивных звёзд с М ≈ 0,5 M_☉. В это время звезда излучает за счёт гравитационной энергии, выделяющейся при сжатии. По мере сжатия температура поверхности таких звёзд растёт, но вследствие уменьшения размеров и площади излучающей поверхности падает светимость. В конечном итоге в их ядрах начинается реакция термоядерного синтеза гелия из водорода (протон-протонный цикл, а для массивных звёзд также CNO-цикл), и молодая звезда выходит на главную последовательность.

На поздних стадиях эволюции звёзд после выгорания водорода в их недрах и образования «пассивного» (не участвующего в термоядерных реакциях) гелиевого ядра звёзды сходят с главной последовательности и перемещаются в область красных гигантов и сверхгигантов диаграммы Герцшпрунга — Рассела: этот этап длится ~ 10 % от времени «активной» жизни звёзд, то есть этапов их эволюции, в ходе которых в звёздных недрах идут реакции нуклеосинтеза. Звёзды главной последовательности с массами М < 10 M_☉ превращаются сначала в красные гиганты, а затем — в красные сверхгиганты; звёзды с М > 10 M_☉ — непосредственно в красные сверхгиганты. Перед тем как перейти в стадию красного гиганта, звезда проходит промежуточную стадию — стадию субгиганта. Субгигант — это звезда, в ядре которой уже прекратились термоядерные реакции с участием водорода, но горение гелия ещё не началось, так как гелиевое ядро недостаточно разогрето.

Строение красных гигантов, неустойчивости в их оболочках и потеря ими массы

И «молодые», и «старые» красные гиганты имеют схожие наблюдаемые характеристики, объясняющиеся сходством их внутреннего строения — все они имеют горячее плотное ядро и очень разреженную и протяжённую оболочку (англ. envelope). Наличие протяжённой и относительно холодной оболочки приводит к интенсивному звёздному ветру: потери массы при таком истечении вещества достигают 10⁻⁶—10⁻⁵M_☉ в год. Интенсивному звёздному ветру способствует несколько факторов:

Высокая светимость красных гигантов в сочетании с огромной протяжённостью их атмосфер (радиусы в 10²—10³R_☉) приводит к тому, что на границах их фотосфер давление излучения на газовую и пылевую компоненты их оболочек становится соизмеримым с силами тяготения, что вызывает вынос вещества.
Ионизация областей оболочек, лежащих ниже фотосферы, делает их существенно непрозрачными для электромагнитного излучения, что приводит к конвекционному механизму переноса энергии. Аналогичную природу имеет солнечная активность, в случае же красных гигантов мощность конвективных потоков должна значительно превосходить солнечную.
В протяжённых звёздных оболочках могут развиваться неустойчивости, приводящие к сильным колебательным процессам, сопровождающимся изменением теплового режима звезды. На фотографии туманности Красный Прямоугольник чётко заметны волны плотности выброшенной звездой материи, которые могут быть следствиями таких колебаний. Периодические колебания оболочек во многих случаях приобретают заметный с огромных расстояний масштаб: многие «старые» красные гиганты являются пульсационными переменными (см. ниже), переменными являются также и некоторые «молодые красные гиганты» типа T Тельца.

Средняя плотность красных гигантов может быть в миллион раз меньше плотности воды (для сравнения, средняя плотность Солнца примерно равна плотности воды, 1 г/см³). При этом отношение средней плотности к плотности ядра может составлять 1:10⁸ (у Солнца примерно 1:50). Около 10 % массы красного гиганта приходится на его очень малое по размерам ядро, в котором (или в наружном слое которого) происходят термоядерные реакции; остальная часть массы звезды приходится на очень протяжённую оболочку, которая переносит выделившуюся в ядре энергию к поверхности.

На поверхности красных гигантов ускорение свободного падения очень невелико. Так, если звезда с массой, равной массе Солнца, превращается в красный гигант и увеличивает свой радиус до размеров орбиты Земли (1 а. е.), то ускорение свободного падения на её поверхности будет равно центростремительному орбитальному ускорению Земли, то есть 0,6 см/с², или 0,0006 g; для сравнения, ускорение свободного падения на поверхности Солнца равно 27,8 g. Низкая поверхностная гравитация и высокая светимость звезды способствуют потере вещества из её оболочки.

Ядерные источники энергии и их связь со строением красных гигантов

В процессе эволюции звёзд главной последовательности происходит «выгорание» водорода — нуклеосинтез с образованием гелия в pp-цикле и (для массивных звёзд) в CNO-цикле. Такое выгорание приводит к накоплению в центральных частях звезды гелия, который при сравнительно низких температурах и давлениях ещё не может вступать в термоядерные реакции. Прекращение энерговыделения в ядре звезды ведёт к сжатию и, соответственно, к повышению температуры и плотности ядра. Рост температуры и плотности в звёздном ядре приводит к условиям, в которых активируется новый источник термоядерной энергии: выгорание гелия (тройная гелиевая реакция или тройной альфа-процесс), характерный для красных гигантов и сверхгигантов.

При температурах порядка 10⁸К кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера между ядрами: два ядра гелия (альфа-частицы) могут сливаться с образованием крайне нестабильного изотопа бериллия ⁸Be:

⁴He + ⁴He = ⁸Be.

Бо́льшая часть ⁸Be, имеющего период полураспада всего 6,7×10⁻¹⁷ секунды, снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении ⁸Be с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода ¹²C:

⁸Be + ⁴He = ¹²C + 7,3 МэВ.

Несмотря на весьма низкую равновесную концентрацию Be⁸ (например, при температуре ~10⁸ К отношение концентраций ⁸Be/⁴He ~ 10⁻¹⁰), скорость тройной гелиевой реакции оказывается достаточной для достижения нового гидростатического равновесия в горячем ядре звезды. Зависимость энерговыделения от температуры в тройной гелиевой реакции чрезвычайно высока: так, для диапазона температур T ≈ 1—2⋅10⁸ К энерговыделение

ε3α=108ρ2Y3⋅(T108K)30,{\displaystyle \varepsilon _{3\alpha }=10^{8}\rho ^{2}Y^{3}\cdot \left({T \over {10^{8}\mathrm {K} }}\right)^{30},}

где Y — парциальная концентрация гелия в ядре (в рассматриваемом случае, когда водород почти «выгорел», она близка к единице).

Начало тройной гелиевой реакции в вырожденных ядрах маломассивных (масса до ~2,25 M_☉) красных гигантов имеет взрывоподобный характер, что приводит к резкому, но очень кратковременному (~10⁴—10⁵ лет) росту их светимости — гелиевой вспышке.

Следует, однако, отметить, что тройная гелиевая реакция характеризуется значительно меньшим энерговыделением, чем CNO-цикл: в пересчёте на единицу массы энерговыделение при «горении» гелия более чем в 10 раз ниже, чем при «горении» водорода. По мере выгорания гелия и исчерпания источника энергии в ядре возможны и более сложные реакции нуклеосинтеза, однако, во-первых, для таких реакций требуются всё более высокие температуры и, во-вторых, энерговыделение на единицу массы в таких реакциях падает по мере роста массовых чисел ядер, вступающих в реакцию.

Дополнительным фактором, по-видимому, влияющим на эволюцию ядер красных гигантов, является сочетание высокой температурной чувствительности тройной гелиевой реакции (и реакций синтеза более тяжёлых ядер) с механизмом нейтринного охлаждения: при высоких температурах и давлениях возможно рассеяние фотонов на электронах с образованием нейтрино-антинейтринных пар, которые свободно уносят энергию из ядра: звезда для них прозрачна. Скорость такого объёмного нейтринного охлаждения, в отличие от классического поверхностного фотонного охлаждения, не лимитирована процессами передачи энергии из недр звезды к её фотосфере. В результате реакции нуклеосинтеза в ядре звезды достигается новое равновесие, характеризующееся одинаковой температурой ядра: образуется изотермическое ядро.