Solen Evolution

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

Hertzsprung-Russell-Diagrammet (aka huvudserien)
De flesta stjärnor är ganska enkla saker. De finns i en mängd olika storlekar och temperaturer, men den stora majoriteten kan karakteriseras av bara två parametrar: deras massa och deras ålder. (den Kemiska sammansättningen också har viss effekt, men inte tillräckligt för att ändra den övergripande bild av vad vi kommer att diskutera här. Alla stjärnor är ca tre fjärdedelar av väte och en fjärdedel helium när de är födda.)

Beroende på massan kommer till stånd eftersom tyngden av stjärnans massa avgör dess centrala press, vilket i sin tur bestämmer sina priser av kärntekniska förbränning (högre tryck = fler kollisioner = mer energi), och den resulterande fusionsenergi är vad som driver star temperatur. I allmänhet gäller att ju mer omfattande en stjärna är, desto ljusare och varmare det måste vara. Det är också så att gastrycket på alla djup i stjärnan (som också beror på temperaturen vid det djupet) måste balansera vikten av den gas som framför det. Och slutligen, naturligtvis, är den totala energi som genereras i kärnan måste vara lika med den totala energin på ytan.

Detta sista faktum genererar ännu en begränsning, eftersom den energi som strålningen från en sfär som är upphängd i ett vakuum lyder en lag som kallas Stefan-Boltzmann-Ekvationen:

L = C R2 T4 (Totala luminositet en varm sfär)

Här L är den lysande stjärnan, C är en konstant som1, R är radien hos stjärnan i meter och T är yttemperaturen på den stjärna i K°. Notera hur snabbt den energi som strålas ut från en stjärna stiger med T: en fördubbling av temperatur orsakar sin energi produktionen att öka med 16 gånger.

1 – Mycket väl, om du måste veta, att den konstant är lika med 5.67 x 10-8 W m-2 K-4.

Denna ekvation är viktigt eftersom det visar på hur även små förändringar i ytan temperaturen av en stjärna kan leda till stora variationer i förbrukningen. Om Solen var temperaturen bara upp från 5780 K° till 5900 K°, dess luminositet skulle stiga med nästan 9 procent.

En stjärna som uppfyller alla dessa begränsningar sägs finnas i hydrostatisk jämvikt. Hydrostatisk jämvikt har turen effekt som det tenderar att göra stjärnor stabil. Bör en stjärnas kärna komprimeras, komprimering orsaker kärnkraft förbränning att öka, vilket genererar mer värme, vilket tvingar upp trycket och gör stjärniga expandera. Det går tillbaka till jämvikt. Likaså, om en stjärnas kärna ska packas, då nuclear förbränning minskar, vilket kyler stjärniga och ger trycket ner, och därmed stjärniga kontrakt och om igen återvänder till jämvikt. Den energi som produceras av Solen har inte fluktuerat genom att kanske mer än 0,1 procent till 0,2 procent i den mänskliga historien – inte illa för en kärnreaktor som inte har någon föreskrivande kommitté, ingen ingenjörer, och har inte haft en säkerhetskontroll i nästan fem miljarder år.

Det tajt mellan temperatur, tryck, massa och hastighet av kärntekniska brinnande innebär att en stjärna av en viss vikt och ålder endast kan uppnå hydrostatisk jämvikt på en uppsättning av värderingar. Varje stjärna i vår galax av samma vikt och ålder som Solen också har samma diameter, temperatur och energi produktionen. Det finns inget annat sätt för allt i balans. Om man genererar en mycket hard-core astrofysik diagram känd som en Hertzsprung-Russell-Diagrammet (H-R-diagram för kort), förhållandet mellan en stjärnas massa, och dess andra egenskaper blir mer tydlig. En H-R-diagrammet visas i Figur 1.

 

En H-R-diagrammet tar en rad stjärnor och tomter deras luminosities (i förhållande till Solen) kontra deras yttemperaturer. Observera att temperaturen skala på H-R-diagrammet i Figur 1 går baklänges, från höger till vänster, och att luminositet axis är mycket komprimerade. (Historiskt, detta var hur den första H-R-diagrammet var konstruerat, så att de nu är.) När du är klar för ett stort urval av stjärnor, finner vi att den överväldigande majoriteten av stjärnorna faller tillsammans en enda, påfallande smala band som går från nedre högra hörnet till övre vänstra: det är, från dunkla och rött till ljust och vitt-hot. Astronomer kallar detta band huvudserien, och därmed någon stjärna längs bandet kallas i huvudserien.2

Huvudserien existerar just på grund av den rigida typ av hydrostatisk jämvikt. Stjärnor med mycket låg massorna (så lite som 7.5% av Solen) ligger i nedre högra hörnet av H-R-diagram. De måste ligga i det nedre högra. Denna del av H-R-diagrammet motsvarar extremt låg ljusstyrka – så lite som en tiotusendel av Solen och låg yttemperatur, vilket motsvarar matt orange-gula skenet av smält metall. Dessa stjärnor inte har tillräckligt med massa för att skapa det tryck som krävs för att göra kärnvapen som brinner i deras kärnor gå något snabbare. Massiva stjärnor (uppemot 40 solmassor) bor uppe till vänster, som de måste. I motsats till stjärnor med låg massa, deras enorma massorna och hög centrala trycket ger upphov till jättar som kan vara 160,000 gånger starkare än Solen, och så varmt att de avger mer energi i ultraviolett ljus än de gör som synligt ljus. Solen står nästan exakt halvvägs mellan dessa ytterligheter, och därför är det inte heller mycket svagt eller mycket ljus som stjärnorna gå. Det lyser med ett ljus gul-vit färg.

2 – Astronomer klassificera traditionellt viktigaste-sekvens stjärnor med bokstäver, så här:
O – 30.000 kr till 40 000 K°
B – 10,800 till 30 000 K°
A – 7240 till 10 800 K°
F – 6000 till 7240 K°
G – 5150 till 6000 K°
K – 3920 att 5150 K°
M – 2700 3920 K°

Inom varje klass, siffror från 0 till 9 ge underklasser, med noll är den högsta subklass (högsta temperatur). Solen är klassificerad som en G2-stjärna.

En-till-en typ mellan massa och hydrostatisk jämvikt innebär att du variera massan i en stjärna, allt du kan göra är att glida längs en enda förutbestämd bana med respekt för alla andra fysiska egenskaper. Detta spår är exakt huvudserien. Men nu när jag har sagt att en andra titt på H-R-diagrammet visar att det finns en aning av stjärnor samt av de viktigaste ordning: de är koncentrerade i “öar” i det övre högra och nedre vänstra. Eftersom stjärnorna i övre högra hörnet är väldigt ljusa men ändå har cool, rödaktig ytor, som astronomer kallar dem röda jättar. På samma sätt, eftersom stjärnorna i den nedre vänstra delen är mycket svagt men också vita heta, kallas de vita dvärgar. Vi har träffat den vita dvärgar redan, på ett teoretiskt sätt. Låt oss nu se om de riktiga kommer från.

Röda Jättar Och Vita Dvärgar
Röda jättar och vita dvärgar kommit till stånd på grund stjärnor, precis som människor, kan förändras med ålder och dör så småningom. För människor, orsaken till åldrande är den försämring av den biologiska funktioner. För en stjärna, orsaken är den oundvikliga energi kris, som det börjar köras ut av kärnbränsle.

Sedan dess födelse, för 4,5 miljarder år sedan, Solens luminositet har mycket försiktigt ökat med ca 30%.3 Det är en oundviklig utveckling som kommer till stånd, eftersom de miljarder år att rulla med, Solen brinner upp väte i sin kärna. Helium “aska” kvar är tyngre än väte, så att väte och helium blandning i Solens kärna är mycket långsamt på att bli tätare, för att därmed öka trycket. Detta medför att den nukleära reaktioner för att köra lite varmare. Solen lyser.

Detta brightening processen rör sig mycket långsamt i början, när det fortfarande gott om väte kvar för att brännas upp i mitten av stjärnan. Men så småningom, kärnan blir så allvarligt utarmas av bränsle som sin energiproduktion börjar falla oberoende av ökad densitet. När detta händer, densiteten i kärnan börjar öka ännu mer, eftersom utan en värmekälla för att hjälpa den att motstå gravitationen, den enda möjliga sättet kärnan kan svara är av upphandlande tills dess inre trycket är tillräckligt högt för att hålla upp tyngden av hela stjärna. Märkligt, detta tömning av central bränsle tank gör stjärniga ljusare, inte mörkare, eftersom den intensiva påtryckningar på ytan av de grundläggande orsakerna väte för att bränna ännu snabbare. Detta mer än tar upp slacket från bränsle-utmattad center. Star ‘ s brightening inte bara fortsätter, det accelererar.

3 – En av de olösta frågorna i geologi är hur Solen kunde ha blivit ljusare även när den totala temperaturen på Jorden har varit mer eller mindre konstant. Vi vet inte exakt, men i två ord eller mindre, svaret är: växthuseffekten. Jordens atmosfär tydligen hade en mycket högre utsläpp av innehållet fyra miljarder år sedan, som hålls den varm. (I själva verket, mycket varmt. Den genomsnittliga globala temperaturen kan ha varit så hög som 140° F.) Olika komplexa bio-geologiska feedback-loopar har stadigt minskade, växthuseffekten just eftersom Solen blir ljusare.

Solen är ungefär halvvägs igenom en mycket lång process att flytta från ett läge där vätgas förbränns i en kärna i centrum till ett läge där väte förbränns i ett sfäriskt skal lindade runt ett intensivt hett, mycket tät, men ganska inert, helium kärna. När det gör övergången från grundläggande förbränning att skal att bränna, det kommer att komma in på sin ålderdom. Eftersom heliumkärnan växer, så gör vätgas-burning skal över det, vilket gör att Solen någonsin ljusare även när det är illavarslande att öka den takt i vilken helium är sammanväxta till kärnan. Den växande core brännskador Solens väte ännu snabbare, vilket i sin tur bara förstorar den centrala snabbare. . . .

Kort sagt, i slutändan, den kärnreaktor i mitten av varje stjärna börjar överhettas. För att sätta siffror på detta, när Solen bildades för 4,5 miljarder år sedan var det ca 30% svagare än för närvarande. I slutet av nästa 4,8 miljarder år kommer Solen att vara omkring 67% ljusare än det är nu. I 1.6 miljarder år efter att Solens luminositet kommer att leda till en dödlig 2.2 Lo. (Lo = att presentera Solen.) Jorden då kommer att ha varit rostade till kala klippan, haven och allt dess liv kokat bort av en annalkande Solen som kommer att vara ca 60% större än för närvarande.4 yttemperaturen på Jorden kommer att vara i över 600 F°. Men även denna version av Solen är fortfarande stabil och golden jämfört med vad som komma skall.

4 – Ack, feedback-loopar som nämns i fotnot 3 kan skydda Jorden för evigt. När växthuseffekten har sjunkit till noll, Jorden kan inte göra något mer för att kyla sig själv.

Vid denna tid den enorma energi som produceras av Solen har orsakat sin yttre lager för att blåsa upp till en stor, men mycket tunna atmosfären minst storleken på Merkurius omloppsbana, och möjligen lika stor som omloppsbana runt Venus. (Tänk på hur våldsamt vattnet beter sig i en pott snabbt kokande vatten jämfört med att i en svagt sjudande gryta. Detta är analogt till varför Solens atmosfär som “kokar” utåt som dess kärna blir varmare.)5 Den stora solens atmosfär och den enorma hettan produktionen av Solen innebära att: #1) Jorden kommer att ha brunnit ner till ingenting, men en halstrad järnkärna av denna punkt, om inte förintas helt och hållet – beräkningar visar att det kan gå åt båda hållen – och #2) solens atmosfär kommer att vara relativt sval trots att Solen är en enorm energi i produktionen. Alltså, Solen kommer att vara både röd och utomordentligt lysande. Det kommer att ha gått den röda jättar. (Se Figur 2.)
Omkring år 7,1 miljarder AD, Solen börjar utvecklas så snabbt att det kommer att upphöra att vara en i huvudserien. Dess position på H-R-diagrammet kommer att börja flytta från där den är nu, nära centrum, mot det övre högra hörnet, där det röda jättar bor. Detta beror på att Solens heliumkärnan så småningom kommer att nå en kritisk punkt där trycket från normal gaser inte kan hålla upp den förkrossande tyngd som läggs på det (inte ens gaser värms upp till tiotals miljoner grader). Ett litet frö av elektron-degenererad materia kommer att börja växa i centrum av Solen. Detaljerna i denna övergång är föremål för debatt, men den teoretiska beräkningar visar att det kommer att börja när Solen är inert helium kärna når ca 13% av solens massa, eller ca 140 Jupiters.Vid denna punkt i sitt liv, Solen kommer att bli stökiga. Den mekanism som har varit långsamt vilket gör det ljusare för de senaste elva miljarder år – mer centrala trycket, vilket ger varmare kärnkraft förbränning, vilket ger mer helium för att förstora kärnan – är nu snabbare till katastrofala nivåer av den stadigt ökande elektron-förfall. 500 miljoner år efter det att den träffar den kritiska punkten, Solens luminositet kommer ballongen att 34 Lo, eldig tillräckligt för att skapa glödande sjöar av smält aluminium och koppar på Jordens yta. På bara 45 miljoner år mer kommer det att nå 105 Lo, och 40 miljoner år efter att det kommer att hoppa till en otrolig 2,300 Lo.

 

 

5 – Men är det inte en väldigt bra liknelse. Klicka här för att läsa hela artikeln, eller klicka på ikonen.

 

Antal stjärnor i den röda jätten del av H-R-diagrammet är endast en bråkdel av en procent av det på huvudserien, eftersom ingen stjärna kan vara en jätte för länge. När Solen når sin maximala ljusstyrka som en röd jätte, och det kommer att bränna mer kärnbränsle alla sex miljoner år än vad det gjorde under hela dess elva miljarder år lång livstid på huvudserien. Detta är inte hållbart. Också, minst lika viktigt, röda jättestjärnor är aldrig riktigt stabil på samma sätt som Solen är nu. De är alltid växande och förbränning av bränslet allt fortare, tills något stoppar dem. Det är ingen långsiktig jämvikt för en röd jätte.

 

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *