Päikese areng

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

Hertzsprung-Russelli skeem (peamine järjestus)

Enamik tähed on pigem lihtsad asjad. Nad tulevad erinevates suurustes ja temperatuuridel, kuid enamik saab iseloomustada vaid kaks parameetrit: nende mass ja nende vanusest. (Keemiline koostis  on ka teatud mõju, kuid mitte piisavalt, et muuta kogu pildi sellest, mida me arutame siin. Kõik tähed on umbes kolm neljandikku vesiniku ja üks neljandik heelium, kui nad on sündinud.)

Massi sõltuvus tuleneb sellest, et tähe massi absoluutne mass määrab selle keskmise rõhu, mis omakorda määrab kindlaks selle tuumapõletuse kiiruse (kõrgem rõhk = rohkem kokkupõrkeid = suurem energia) ja sellest tulenev termotuumasüntees on see, mis ajastab stari temperatuuri . Üldiselt on tohutam täht, seda heledam ja kuumem see peab olema. Samuti on juhtum, et gaasi rõhk tähe igasse sügavusel (mis sõltub ka sellel sügavusel asetsevast temperatuurist) peab tasakaalustama gaasi üle selle kaalu. Lõpuks, muidugi, tuumaenergia kogumaht peab olema võrdne kogu pinnale kiiratava energiaga.

See viimane asjaolu tekitab veel ühe piirangu, sest vaakumis suspendeeritud kera energiakiirgus järgib seadust, mida nimetatakse Stefan-Boltzmanni võrrandiks:

L = C R2 T4   (Kuuma sfääri kogu helendavus)

Siin L on helendus star, C on konstant1, R on raadiusest star meetrit ja T on pinnatemperatuur star K°. Märkus kuidas kiiresti energiat kiiratud täht tõuseb T: kahekordistades temperatuur põhjustab selle energia toodang suurenema 16 korda.

Täht, mis vastab kõigile neile piiranguid öeldakse olevat hüdrostaatilise tasakaalu. Hüdrostaatiline tasakaal on õnneks, et ta kipub tegema tärni stabiilne. Kui tähe tuum olema tihendatud, kompressiooni põhjustab tuuma põletamine suurendada, mis tekitab rohkem soojust, mis Päikenib survet ja teeb tärni laiendada. See ulatub tagasi tasakaalu. Samuti siis, kui tähe tuum tuleks decompressed, siis tuuma põletamine vähendab, mis jahutab tähe ja toob surve alla ja seega tärni lepingute ja jälle naaseb tasakaalu. Energia väljund Päike ei kõikunud rohkem kui ehk 0,1%-lt 0,2% inimkonna ajaloos – pole paha tuumareaktori et ei ole regulatiivkomitee, ei insenerid ja ei ole olnud ohutuse kontrolli peaaegu viis miljardit aastat.

Tihe omavaheline temperatuuri, rõhu, mass ja kiirus tuuma põletamine tähendab, et täht antud massi ja vanuse võimalik saavutada ainult hüdrostaatilise tasakaalu üks komplekt väärtusi. See tähendab, iga täht meie galaktika sama mass ja vanus nagu Päike on ka sama läbimõõduga, temperatuuri ja energia toodang. Ei ole muud teed kõike tasakaalus. Kui üks genereerib väga raksekujuliste astrofüüsikas graafikul tuntakse Hertzsprungi-Russelli diagramm (HR diagramm lühikese), suhe tähe massi ja tema teised omadused muutub selgeks. HR diagramm on näidatud  Joonis 1.

HR diagramm võtab komplekt tähed ja krundid nende heleduse (võrreldes Päike) versus nende pinnatemperatuuri. Pange tähele, et temperatuur skaala HR diagramm Joonis 1 jookseb tagasi, paremalt vasakule, ja et helendus telg on väga kokkusurutud. (Ajalooliselt oli see, kuidas esimene HR diagramm on ehitatud nii, nüüd on nad kõik on.) Kui see on tehtud suure valimi tähed, leiame, et valdav enamus tähed langevad mööda ühe tähelepanuväärselt kitsas, mis töötab alates alt-õigus ülemises vasakus: see tähendab, tuhmist ja punane hele ja valge kuum. Astronoomid nimetavad seda bändi  põhijada ja seega mis tahes star koos bändi nimetatakse peamiseks-järjestuse star.2

Põhijada olemas just paindumatu milline hüdrostaatilise tasakaalu. Tärnid väga väikese massiga (nii vähe kui 7,5%, mis Päikese) lie madalamas paremal HR diagramm. Nad peavad jääma all paremas. See osa HR diagramm vastab äärmiselt madal helenduse – nii vähe kui 1/10000 et Päikese – ja madala pinnatemperatuuri, mis on samaväärne tuim oranžkollasele glow sulametalli. Need tähed ei ole piisavalt massi, et luua surve vaja teha tuuma põletamine nende südamikud minna kiiremini. Suure massiga tähtede (ülespoole 40 Päikese massi) elavad vasakus ülemises, kuna nad peavad. Vastupidiselt väikese massiga tähed, nende tohutu masside ja suure keskmise surve tekitada hiiglased, mis võib olla 160.000 korda heledamad, kui päike, ja nii kuum, et nad eritavad rohkem energiat ultraviolett- kui nad nähtava valguse. The Päike asub peaaegu täpselt poole peal nende äärmuste vahel, ning seega ei ole väga vähe ega eredate tähtedena minna. See kiirgab ereda kollakasvalgete värvi.

Massi ja hüdrostaatilise tasakaalu vahel olev “üks-ühele” näitab, et kui te varieerub tähe massi, saab kõik, mida saate teha, libiseda ühe, eelnevalt kindlaksmääratud rööpaga, võrreldes kõigi teiste füüsiliste omadustega. See lugu on täpselt peamine jada. Kuid nüüd, kui ma seda ütlesin, näeb H-R-skeemi teine pilt välja, et peegeldust peegeldub hästi pealjada: nad on koondunud “saartelt” ülemises paremas ja vasakpoolses alamas. Kuna paremas ülaservas olevad tähed on väga helendavad, kuid neil on ikka veel lahedad, punakad pinnad, nimetavad astronoomid neid punaseid hiidlasi. Samamoodi, kuna vasakpoolsel vasakpoolsel tähed on väga tumedad ja valge-kuumad, nimetatakse neid valgete kääbusteni. Oleme juba kohtunud valged pöialpoissid teoreetiliselt. Nüüd vaatame, kust päris neist pärineb.

Punased hiidlased ja valged pöialpoissid
Punased hiiglased ja valged pöialpoissid tulevad, sest tähed, nagu inimesed, muutuvad vanaks ja lõpuks surevad. Inimeste jaoks on vananemise põhjus bioloogiliste funktsioonide halvenemine. Tähe jaoks on põhjus vältimatu energiakriis, kuna tuumakütus hakkab otsa saama.

Alates selle sündimisest 4,5 miljardit aastat tagasi on päikese valgustuvus väga kergelt kasvanud umbes 30% võrra3. See on vältimatu areng, mis tekib, sest päikesepõletus on miljoneid aastaid kerkinud päikesepõleti vesinikku põlema. Järele jäänud heelium “tuhk” on tihedam kui vesinik, nii et vesiniku- ja heeliumi segu päikese tuumas muutub väga aeglaselt tihedamaks, suurendades seeläbi survet. See põhjustab tuumareaktsioonide pisut kuumemaks muutumist. Päike süttib.

See helendav protsess liigub kõigepealt väga aeglaselt, kui veel on veel palju vesinikku, mis jääb starti keset põlema. Kuid lõpuks muutub tuum kütusena nii tugevalt ammendatuks, et selle energia tootmine hakkab langema sõltumata kasvava tiheduse suurusest. Kui see juhtub, südamiku tihedus hakkab veelgi tõusma, sest ilma soojuseallikata, mis aitaks tal gravitatsioonil vastu seista, on ainus võimalus, kuidas tuum võib reageerida, kokku leppides, kuni selle siserõhk on piisavalt kõrge, et hoida kehakaalu kogu täht. Üllatavalt on keskne kütusepaagi tühjendamine tähe heledam, mitte tuhmim, sest intensiivne rõhk südamiku pinnal põhjustab vesiniku põlemist veelgi kiiremini. See läheb rohkem kui kütusekogusesse jääv keskus. Tärnide sära ei jätkata, vaid kiireneb.

Päike on ligikaudu poolel teel läbi väga pikka protsessi nihutamisest režiimilt, kus vesinikku põletatakse keskpunktis olevas tuumas, kus vesinikku põletatakse sfäärilise korpusega, mis ümbritseb intensiivselt kuuma, väga tiheda, kuid üsna inertse heeliumisüdamikuga. Kui see muudab ülemineku südamiku põletamisest kuni põletustemperatuurini, siseneb see oma hämarasse aastasse. Kuna heeliumi südamik kasvab, siis ka vesinikupõlemiskest üle selle, seega muudab Päike veelgi heledamaks, samal ajal kui see suurendab hirmuäratavat kiirust, millega heelium südamikule tõuseb. Kasvav südamik põleb Päikese vesinikku veelgi kiiremini, mis omakorda suurendab südamikku kiiremini…

Lühidalt öeldes, lõpuks hakkab igal tähe keskel olev tuumakütus üle kuumenema. Selle numbrite lisamiseks, kui Päike moodustati 4,5 miljardit aastat tagasi, oli see umbes 30% väiksem kui praegusel hetkel. Järgmise 4,8 miljardi aasta lõpus on päike ligikaudu 67% heledam kui praegu. Pärast seda 1,6 miljardit aastat hakkab päikesevalguse suremus olema surmav 2,2 Lo.  (Lo = esineb Pühal.)  Maa on selleks ajaks röstitud paljaste kivimite, ookeanide ja kogu oma elu poolt, mida ketendab Päike, mis on umbes 60% suurem kui praegusel hetkel.4  Maapinna temperatuur ületab 600 F°. Aga isegi see versioon Päikesest on ikka veel stabiilne ja kuldne võrreldes tulevaste.

Umbes aastas 7,1 miljardit AD, hakkab Päike hakkama nii kiiresti, et see ei ole enam peajärvi staar. Selle positsioon H-R diagrammil hakkab nihutama, kus see asub keskuse lähedal, ülemine paremas suunas, kus elavad punased hiiglased. Seda seetõttu, et Päikese heeliumikütus jõuab lõpuks kriitilisse punkti, kus normaalsete gaaside rõhk ei suuda kinni hoida muljumiskaalu (mitte isegi kümneid miljoneid kraadides kuumutatud gaase). Päikese keskosas hakkab kasvama elektronide degeneratiivse aine väike seeme. Selle ülemineku üksikasjad on arutatavad, kuid teoreetilised arvutused näitavad, et see algab siis, kui Päikese inertse heeliumikütus jõuab umbes 13% päikese massist või umbes 140 Jupitersist.

Sellel hetkel on Päike muutumatuks. Mehhanism, mis on aeglaselt muutnud selle üheksateistkümneks miljardiks aastaks heledamaks – rohkem tuumarõhk, mille tagajärjel tekib soojem tuumapõletus, annab tuumale suurema hulga heeliumi, on nüüdseks kiirenenud katastroofilise tasemeni pidevalt kasvava elektronide tekkega. 500 miljonit aastat pärast seda, kui see tabab kriitilist punkti, on päikesevalguse õhupall 34 Lo, piisavalt suletult, et luua surnud alumiiniumi ja vaske säravaid järves Maa pinnale. Ainult 45 miljonit aastat rohkem jõuab see 105 Lo, ja 40 miljonit aastat pärast seda hüppab see uskumatu 2,300 Lo.

Selleks ajaks tohutu energia väljund Päike on põhjustanud selle välimised kihid paisutavad hiiglaslikuks kuid väga hõre atmosfäär vähemalt suuruse orbiidi Mercury, ja võib-olla nii suur kui orbiidi Venus. (Mõtle, kuidas ägedalt vee käitub pott kiiresti keeva veega võrreldes sellega, mis on õrnalt tasase pot. See on analoogne miks Päikei atmosfääri “keeb” väljapoole, kuna selle sisu muutub kuumemaks.)5  Tohutu suuruse tõttu päikese atmosfääri ja tohutu kuumus väljund Päike tähendab, et: # 1) Maa on maha põlenud midagi, kuid söövitatud rauast tuum selle punkti, kui mitte aurustunud kokku – arvutused näitavad, et see võiks minna kas nii – ja # 2) päikeseenergia atmosfääris suhteliselt jahe vaatamata Päikei tohutu energia väljund. Seega Päike on nii punane ja erakordselt helendav. See on liitunud punane hiiglased. (Vt  Joonis 2).

H-R diagrammi punase hiiglasliku osa tähtede arv on vaid murdosa protsendist peajõuseadmest, sest ükski täht ei saa pikka aega olla hiiglaslik. Kui Päike saavutab oma punase hiiglase maksimaalse valguse, põleb see rohkem tuumakütust iga kuue miljoni aastaga kui see, mis see oli kogu selle üheteistkümne miljardi aasta eluea kestel. See ei ole jätkusuutlik. Vähemalt sama tähtis on see, et punased hiiglased tähed ei oleks kunagi tegelikult stabiilsed samas mõttes, nagu praegu on päike. Nad kasvavad alati ja põlevad oma kütust üha kiiremini, kuni midagi neist peatub. Punase hiiglase jaoks pole pikaajalist tasakaalu.


1 – Väga hästi, kui peate teadma, on konstant võrdne 5.67 x 10-8 W m-2 K-4.

See võrrand on oluline, sest see näitab, kui isegi väikesed muutused tärnipinna temperatuuril võivad põhjustada suuri energiahulga erinevusi. Kui Päikese temperatuur tõuseb just 5780 K° -st 5900 K° -ni, tõuseb selle helendus ligikaudu 9%.

2 – Astronoomid klassifitseerivad tavapäraselt pea-järjekorras tähed tähedega:
O – 30,000–40,000 K°
B – 10,800–30,000 K°
A – 7240–10,800 K°
F – 6000–7240 K°
G – 5150–6000 K°
K – 3920–5150 K°
M – 2700–3920 K°

Igas klassis sisaldavad numbrid 0 kuni 9 alaklassi, kusjuures null on kõige suurem alaklass (kõrgeim temperatuur). Päike on klassifitseeritud G2 täheks.

3 – üks lahendamata küsimustele geoloogia, kuidas Päike oleks pidevalt muutuvad heledamaks isegi kui üldine temperatuur Maa on jäänud enam-vähem samaks. Me ei tea täpselt, kuid kaks sõna või vähem, on vastus:   kasvuhooneefekt. Maa atmosfääri ilmselt oli palju suurem kasvuhoonegaaside sisu 4000000000 aastat tagasi, mis hoitakse soojas. (Tegelikult väga soe. Globaalne keskmine temperatuur võis olla koguni 140 F°.) Erinevate kompleksi bio-geoloogilised tagasisideringide on pidevalt  vähenenud kasvuhooneefekti  täpselt  sest  Päikese muutub heledamaks.

4 – Alas, 3. Joonealuses märkmes mainitud tagasisideketid ei saa Maa igavesti kaitsta. Kui kasvuhooneefekt on langenud nullini, ei suuda Maa veel midagi ennast jahtuda.

5 – Kuid see pole väga hea analoogia. Klõpsake siin kogu loo lugemiseks või klõpsake ikoonil.