Original: http://faculty.wcas.northwestern.edu/~infocom/The%20Website/evolution.html
Діаграма Герцшпрунга-Рассела (вона ж головної послідовності)
Більшість зірок досить прості. Вони бувають різних розмірів і температур, але більшість можна охарактеризувати лише двома параметрами: масою і віком. (Хімічний склад також має деякий вплив, але не досить сильний, щоб змінити загальну картину того, що ми будемо обговорювати тут. Усі зірки складаються близько із трьох чвертей водню і однієї чверті гелію при народженні.)
Залежність від маси відбувається тому, що явна вага маси зірки визначає її центральне тиск, який у свою чергу визначає швидкість його ядерного горіння (більш високий тиск = більше зіткнень = більше енергії), і отриманий в результаті термоядерної енергії, що змушує температуру зірки. У цілому, що більш масивна зірка, то яскравіша і гарячіша вона повинна бути. Крім того, так, що тиск газу на будь-якій глибині в зірці (яка також залежить від температури на цій глибині) повинен врівноважити вагу газу над ним. І, нарешті, звичайно ж, повна енергія, що виробляється в активній зоні повинна дорівнювати всій енергії, випромінюваної на поверхні.
Ця остання обставина породжує ще одне обмеження, тому що енергія випромінювання кулі підвішеною в вакуумі підкоряється закону, відомому як рівняння Стефана-Больцмана:
Зірка, яка відповідає всім цим обмеженням, перебуває в гідростатичній рівновазі. Гідростатичної рівноваги має вдалий ефект, що вона прагне зробити зірки стабільною. Якщо серцевиною зірки стискатися, стиснення викликає ядерного горіння для збільшення, який генерує більше тепла, що змушує чинити тиск і робить зірка розширюється. Вона бере початок рівноваги. Точно так же, якщо ядро цього зірки повинні бути розпаковані, а потім ядерного горіння зменшується, який охолоджує зірку і приносить тиск вниз, і, таким чином, зірка стискається і знову повертається в стан рівноваги. Вихідна енергія Сонця не вагалися більш ніж можливо, від 0,1 % до 0,2 % в людській історії – не погано для ядерного реактора, який не має регламентного комітету, немає інженерів, і не мав перевірку безпеки в майже п’ять мільярдів років.
Тісний взаємозв’язок температури, тиску, маси і швидкості ядерного горіння означає, що зірка даної маси і віку може досягти гідростатичної рівноваги в одному наборі значень. Тобто, кожна зірка в нашій галактиці тієї ж маси і віку, що Сонце має той же діаметр, температуру і вихід енергії. Там немає іншого шляху, щоб все збалансувати. Якщо один генерує дуже злісної астрофізичних графік, відомий як (діаграма Г-Р скорочено) діаграма Герцшпрунга-Рассела, співвідношення між масою зіркою і інших його властивостей стає все більш ясним. Діаграма Г-Р показана на малюнку 1.
Діаграма Г-Р приймає безліч зірок і їхні уділи світність (по відношенню до Сонця) в порівнянні з їх поверхневими температурами. Зверніть увагу, що температурна шкала на діаграмі Г-Р на малюнку 1 працює в зворотному напрямку, справа наліво, і що вісь світність сильно стиснута. (Історично, це було те, як була побудована перша діаграма Г-Р, так що тепер все вони.) Коли це зроблено для великої вибірки зірок, ми бачимо, що переважна більшість зірок падають уздовж однієї, дивно вузькій смузі, що йде від внизу праворуч на верхньому лівому кутку: тобто, з ближнього і червоного до яскраво і білого. Астрономи називають цю групу головною послідовністю, і, отже, будь-яка зірка уздовж смуги називається головною послідовності зірок.²
Основна послідовність існує саме через негнучку природи гідростатичної рівноваги. Зірки з дуже низькою масою (всього лише 7,5%, що Сонця) лежать в нижній правій частині діаграми Г-Р. Вони повинні лежати в нижньому правому куті. Ця частина діаграми Г-Р відповідає вкрай низькою світністю – всього лише як десятитисячний, що Сонця – і низькою температурою поверхні, що еквівалентно сумній оранжево-жовтого світіння розплавленого металу. Ці зірки не мають достатньо маси, щоб створити тиск, необхідне, щоб зробити ядерну горіння в їх ядрах йти швидше. Зірки з великою масою (понад 40 сонячних мас) розташовуються у верхньому лівому кутку, так як вони повинні. На відміну від малої маси зірок, їх величезні маси і високі центральні тиску призводять до гігантам, які можуть бути 160000 разів більше, ніж світиться Сонця, і так жарко, що вони дають більше енергії в ультрафіолетовій області спектра, ніж вони роблять, як видиме світло. Сонце знаходиться майже точно на півдорозі між цими двома крайностями, і, отже, вона не є ні надзвичайно тьмяний, ні занадто яскравими, як зірки йдуть. Воно сяє яскравим жовтувато-білим кольором.
Природа взаємно-однозначна відповідність між масою і гідростатичної рівноваги означає, що, змінюючи масу зірки, все, що ви можете зробити, це ковзати по одному, заздалегідь визначеної доріжці по відношенню до всіх іншим фізичним властивостям. Цей трек є саме головної послідовності. Але тепер, коли я сказав, що, другий погляд на діаграму Г-Р показує, що існує невелика кількість зірок і від головної послідовності: вони зосереджені в “островах” у верхньому правому кутку і нижньому лівому кутку. Так як зірки в верхньому правому куті дуже світиться поки проте, мають круті, червонуваті поверхні, астрономи називають їх червоні гіганти. Точно так же, так як зірки в нижньому лівому кутку дуже тьмяний ще й до білого, вони називаються білими карликами. Ми зустріли білих карликів уже, в теоретичному шляху. Тепер давайте подивимося, де справжні беруться.
Червоні гіганти та білі карлики
Червоні гіганти і білі карлики прийшли тому, що зірки, як і люди, змінюються з віком, і врешті-решт вмирають. Для людей, причиною старіння є погіршення біологічних функцій. Для зірки, причиною є неминучим енергетична криза, як він починає бігти з ядерного палива.
З моменту свого народження 4,5 мільярда років тому, світність Сонця була дуже м’яко збільшилася приблизно на 30 %³. Це неминуча еволюція, яка відбувається тому, що, як мільярди років валку, Сонце спалює водень в її ядрі. Гелієві “попіл” залишили позаду більш щільною, ніж водень, тому водень/гелій суміш в ядрі Сонця дуже поступово стає більш щільною, підвищуючи тим самим тиск. Це призводить до того, ядерні реакції, щоб запустити трохи спекотніше. Сонце світлішає.
Цей процес освітлення рухається дуже повільно спочатку, коли є ще досить водню, що залишився до бути спалений в центрі зірки. Але врешті-решт, ядро стає настільки сильно виснажені палива, що виробництво його енергія починає падати незалежно від збільшення щільності. Коли це станеться, то щільність ядра починає збільшуватися ще більше, тому що без джерела тепла, щоб допомогти йому протистояти гравітації, єдино можливий шлях ядро може реагувати є стягуванням, поки його внутрішній тиск не достатньо високий, щоб вмістити вага вся зірка. Химерно, це спорожнення центрального паливного бака робить зірку яскравіше, чи не диммер, так як сильний тиск на поверхні ядра призводить до того, водень там горіти навіть швидше. Це більше, ніж займає слабину з паливного-вичерпані центру. Освітлення зірка не тільки триває, вона прискорюється.
Сонце приблизно на півдорозі через дуже тривалий процес переходу від режиму, коли водень спалюється в ядрі в центрі її в режим, в якому водень буде спалюватися в сферичної оболонці, загорнуті навколо інтенсивно жарко, дуже щільна, але досить інертний гелій ядро. Після того, як вона робить перехід від основного горіння обстрілювати горіння, він буде входити в її сутінкових років. У міру того як ядро гелію зростає, так що робить водень спалювання оболонки над нею, таким чином, роблячи Сонце все яскравіше, навіть в той час як загрозливо збільшення швидкості, при якій гелій аккреціруемого на сердечник. Зростаючий ядро спалює водень Сонця ще більш швидкими темпами, що в свою чергу лише збільшує ядро більш швидко...
Коротше кажучи, в кінці кінців, ядерна піч в центрі кожної зірки починає перегріватися. Для того, щоб поставити номери на цей рахунок, коли Сонце сформувалося 4,5 мільярда років тому вона була приблизно на 30 % слабкіше, ніж в даний час. В кінці наступного 4,8 мільярда років, Сонце буде близько 67 % яскравіше, ніж зараз. В 1,6 мільярда років після того, світність Сонця підніметься до летального 2,2 Lo. (Lo = присутнє Сонце) Землі на той час буде вже смажили на голій скелі, її океани і все своє життя википіла від насувається Сонця, які будуть близько 60 % більше, ніж при present.4 Температура на поверхні Землі буде перевищувати 600 F °. Але навіть ця версія Сонця залишається стабільним і золотим в порівнянні з тим, що має статися.
Близько року 7,1 млрд н.е., Сонце почне розвиватися так швидко, що він перестане бути зіркою головної послідовності. Його положення на діаграмі Г-Р почне переходити від того, де він знаходиться в даний час, недалеко від центру, в сторону в верхньому правому куті, де живуть червоні гіганти. Це відбувається тому, що ядро гелію Сонця в кінцевому підсумку досягне критичної точки, де тиск від нормальних газів не може вмістити до нищівної вага нагромаджувалися на ньому (навіть не газам нагрівається до десятків мільйонів градусів). Крихітне сім’я електрон-виродженого речовини почне рости в центрі Сонця. Подробиці цього переходу є предметом обговорення, але теоретичні розрахунки показують, що він почне, коли ядро інертного гелію Сонця досягає близько 13 % сонячної маси, або близько 140 Юпітерами.
На даний момент в його житті, Сонце стане непокори. Механізм, який повільно, що робить його більш яскравим протягом останніх одинадцяти мільярдів років – більше, основним тиском, отримуючи гаряче ядерне горіння, отримуючи більше гелію, щоб збільшити ядро – тепер прискорюється до катастрофічних рівнів, постійно підвищуються електрон-виродженням. 500 мільйонів років після того, як вона потрапляє в критичну точку, світність Сонця буде куля 34 Lo, досить вогненно створити світяться озера розплавленого алюмінію і міді на поверхні Землі. Всього через 45 мільйонів років більше вона досягне 105 Lo, і 40 мільйонів років після цього він буде стрибати до неймовірних 2300 Lo.
До цього часу величезний вихід енергії Сонця буде викликали свої зовнішні шари, щоб роздути в величезний, але дуже розрідженій атмосфері принаймні, розмір орбіти Меркурія, і, можливо, настільки ж великий як орбіти Венери. (Подумайте про те, як сильно вода поводиться в каструлю з швидко киплячою водою в порівнянні з, що в злегка киплячий котел. Це аналогічно тому, чому атмосфера Сонця “кипить” назовні, як її ядро стає гаряче.) 5 величезних розмірів сонячна атмосфера і величезний теплова потужність Сонця означає, що: № 1) Земля буде спалена, щоб нічого, крім ядра обпалило заліза до цього моменту, якщо не випаровуються взагалі – розрахунки показують, що він може піти в будь-яку сторону – і № 2) сонячна атмосфера буде відносно прохолодно, незважаючи на величезний вихід енергії Сонця. Таким чином, Сонце буде і червоного кольору і надзвичайно світлою. Він приєднався червоні гіганти. (Дивись малюнок 2.)
Число зірок в червоній гігантської частини діаграми Г-Р є лише часткою відсотка того, що на головній послідовності, тому що ніяка зірка не може залишатися гігантський довго. Коли Сонце досягає своєї максимальної світність у вигляді червоного гіганта, він буде спалювати більше ядерного палива кожні шість мільйонів років, ніж це було протягом всього одинадцяти мільярдів років життя на головній послідовності. Це не може бути стійким. Крім того, по крайней мере, як важливо, червоні гігантські зірки ніколи не бувають стабільними в тому ж сенсі, що Сонце зараз. Вони завжди ростуть і спалювання їх палива все швидше і швидше, поки щось не зупиняє їх. Там немає довгострокове рівновагу для червоного гіганта.
1 – Дуже добре, якщо вам відомо, постійна величина дорівнює 5,67 x 10-8 W m-2 K-4.
Це рівняння має важливе значення, так як він показує, що навіть невеликі зміни температури поверхні зірки може привести до великих змін вихідний енергії. Якщо температура Сонця просто підвищено з 5780 K° до 5900 K°, його світність зросте майже на 9 %.
2 – Астрономи традиційно класифікують зірок головної послідовності з буквами, наприклад, так:
O – 30000–40,000 K°
B – 10800–30000 K°
A – 7240–10800 K°
F – 6000–7240 K°
G – 5150–6000 K°
K – 3920–5150 K°
M – 2700–3920 K°
У межах кожного класу, цифри від 0 до 9 забезпечують підкласи, з нулем є найвищим підкласу (висока температура). Сонце класифікується як зірка G2.
3 – Одним з невирішених питань у галузі геології, як Сонце могло стійко стає яскравішим навіть загальна температура Землі залишається більш-менш постійною. Ми не знаємо точно, але в двох словах або менше, відповідь: парниковий ефект. Атмосфера Землі, очевидно, мали набагато більш високий вміст парникових газів чотири мільярди років тому, які тримали його теплим. (Насправді, дуже тепло. Середня глобальна температура може бути вище, ніж 140 F °). Різні складні біогеологічні петлі зворотного зв’язку неухильно точно зменшували парниковий ефект, оскільки Сонце стає яскравіше.
4 – На жаль, петлі зворотного зв’язку, згадані в примітці 3 не може захистити Землю назавжди. Після того, як його парниковий ефект впала до нуля, Земля нічого не може зробити більше, щоб охолодити себе.
5 – Однак це не дуже точна аналогія. Клацніть тут, щоб прочитати повну версію, або клацніть піктограму.
