Размеры красных гигантов по сравнению с солнцем

Красный гигант или как стареют небесные звезды

Наблюдателю с Земли все звезды кажутся одинаковыми мерцающими точками, которые отличаются друг от друга только своей яркостью. В действительности небо устроено гораздо сложнее. Сегодня ученым известно множество типов звезд, отличающихся размером, температурой и излучаемым светом. Они рождаются, проживают интересную и долгую жизнь, длящуюся миллиарды лет, а затем умирают или превращаются в черные дыры. Однако перед окончательным угасанием светила, проходят удивительные метаморфозы — они кардинально меняют свой облик.

На завершающих стадиях своей эволюции звезды превращаются в красных гигантов или сверхгигантов — объекты, чей радиус в сотни раз превышает солнечный. Примерами таких «престарелых» звезд могут служить Мира, Арктур, Альдебаран и Гакрукс. На диаграмме Герцшпрунга — Рассела большинство звезд данного класса находятся на ветви красных гигантов. Они имеют значительную светимость, а также очень протяженные и обширные оболочки.

Солнце также превратится в красного гиганта, после чего жизнь на нашей планете станет невозможной. Но произойдет это через несколько миллиардов лет, так что у человечества есть время основательно подготовиться и найти себе новый дом во Вселенной.

Как появляются звезды-гиганты или немного о небесной эволюции

Астрономам известно множество звезд различных типов: горячих и холодных, больших и маленьких. Для классификации этих небесных объектов используются их абсолютные величины и спектральные характеристики. Спектр дает представление не только о температуре, но и о химическом составе небесного объекта.

В 1910 году ученые Эйнар Герцшпрунг и Генри Рассел, независимо друг от друга разработали диаграмму, значительно упрощающую классификацию звездных объектов и дающую четкое представление об этапах их развития. Кроме того, она наглядно демонстрирует взаимную зависимость спектрального класса, звездной величины и светимости.

Звезды расположены на данной диаграмме не хаотично, а образуют четко выраженные участки. 90% от их общего количества находятся в области, которую называют главной последовательностью. Кроме нее, на диаграмме существует область красных гигантов и сверхгигантов, в которой расположены светила, находящиеся на завершающем этапе своей эволюции.

Данный феномен очень просто объяснить: большую часть жизни звезда получает энергию от реакций, протекающих в ее центральной области. Это протон-протонный цикл, а для массивных звезд — CNO-цикл. После прекращения термоядерных реакций формируется гелиевое ядро, и звезда становится красным гигантом.

Дальнейшая судьба светила зависит от его массы. Если она меньше десяти солнечных, то звезда превращается в красного гиганта, а затем в сверхгиганта, но если больше, то сразу в сверхгиганта. Существует и промежуточный этап – стадия субгиганта, во время которой горение гелия еще не началось, а слияние в ядре водорода уже не происходит.

Но и это еще не финал. Стадия красного гиганта относительно коротка: она занимает примерно десятую часть от общего времени существования светила.

«Юные» гиганты

Объекты в процессе звездной эволюции могут достигать поздних спектральных классов не только на завершающих этапах своей жизни. Образование красного гиганта возможно и в начальный период звездообразования. На этом этапе излучение происходит за счет энергии гравитации, которая образуется при сжатии объекта. Продолжительность данной фазы находится в прямой зависимости от размера и массы звезды: если она больше десяти солнечных масс, то стадия красного гиганта продолжается примерно 103 лет, а для небольших звезд он составляет приблизительно 108 года.

Сжатие уменьшает площадь и повышает ее температуру, что существенно снижает светимость. В конце концов, в недрах объекта зажигаются термоядерные реакции, и молодая звезда выходит на главную последовательность. Несмотря на большое сходство между «юными» и «пожилыми» гигантами, астрономы обычно применяют подобное обозначение для объектов, которые в процессе своей эволюции дошли до поздних этапов. Объекты в период звездообразования обобщенно называются протозвездами. Примером может служить Т Тельца.

Описание и общие характеристики

Красные гиганты – это звезды, относящиеся к спектральным классам К и М, с классом светимости III. Их абсолютная звездная величина составляет 0m ≥ Mv ≥ -3m. Температура поверхности подобных объектов невелика – она не превышает 5 тыс. K, однако, внушительные размеры делают их весьма заметными на небосклоне. Характерный радиус подобных объектов в 100-800 раз превосходит солнечный, по площади поверхности они в 104-106 раза больше нашей звезды. Именно сочетание большой светимости и невысокой температуры является основной характеристикой красных гигантов.

Температура оболочки звезд этого класса приблизительно равна уровню нагрева нити лампы накаливания, поэтому их свет ближе не к красному, а к желтому или охристому цвету. Характерной особенностью является присутствие в спектре излучений металлов и молекулярных полос: сравнительно небольшая температура фотосферы позволяет молекулам сохранять устойчивость.

Плотность красных гигантов относительно мала – иногда она меньше в несколько миллионов раз, чем у солнечного вещества. Звезды этого класса имеют горячее плотное ядро и очень обширную оболочку. На небольшое ядро приходится приблизительно 10% от общего веса объекта. Такое строение приводит к значительному истечению вещества и стремительному уменьшению массы. В год она может достигать 10−6—10−5 M☉.

Данному процессу способствует ряд обстоятельств:

• Значительная протяженность оболочек гигантов и их высокая светимость практически выравнивает силу тяготения и давление в фотосфере, что приводит к истечению вещества;
• Оболочки, которые лежат ниже, слабо прозрачны для электромагнитного излучения, что запускает механизм энергопереноса, основанный на конвекции;
• Из-за большой протяженности начинаются колебательные процессы, которые нередко изменяют тепловой режим. Сегодня астрономы имеют фотографии туманностей, доказывающие наличие подобных колебаний.

На первом этапе после исчерпания водорода формируется гелиевое ядро, которое не принимает участия в термоядерных реакциях – горение водорода продолжается в слое, окружающем его. Когда температура достигает значения 2*108 К, стартует слияние гелия (тройной альфа-процесс) с образованием углерода. После выгорания гелия, в недрах звезды формируется кислородно-углеродное ядро с вырожденным веществом и двумя неустойчивыми слоями горения: гелия, который находится ближе к центру, и водорода, расположенного в более внешней оболочке ядра. У небольших звезд горение гелия может происходить очень активно.

В результате вышеописанных метаморфоз масса звездного ядра увеличивается, повышается его температура, оно сжимается. У красных гигантов с небольшими массами, ядра не доходят до стадии возгорания углерода, и в конце своей эволюции они превращаются в белые карлики. В ядрах более тяжелых объектов проходят стадии выгорания целого ряда элементов. У них процессы нуклеосинтеза завершаются формированием ядер из железа.

Среди красных гигантов и сверхгигантов имеются переменные звезды, которые под действием тех или иных физических процессов меняют яркость. Причем эти изменения могут носить как периодический, так и непериодический характер. В качестве примера можно привести мириды, период пульсаций которых составляет от нескольких суток до двух-трех лет.

Что будет, когда Солнце превратится в красного гиганта

А что ожидает нашу звезду? Когда Солнце станет красным гигантом, и какие последствия это будет иметь для Земли и остальных планет?

Сейчас Солнце находится в «расцвете лет» – его возраст можно назвать средним. Он составляет примерно 4,57 млрд лет, и до финальной стадии нашей звезде еще очень далеко. Еще минимум 5 млрд лет она будет радовать нас теплом и светом, постепенно выжигая водородное топливо.

Каждые 100 миллионов лет его светимость будет увеличиваться на один процент. В будущем это, скорее всего, станет серьезной проблемой, так как вместе со светимостью будет расти и поток тепловой энергии, выделяемый нашим светилом. Вероятно, перед нашими далекими потомками встанет проблема парникового эффекта, аналогичного тому, что действует на Венере в наши дни.

После выгорания водорода, в центре звезды образуется ядро из гелия, который позже начнет сливаться в углерод. Для планет и других объектов нашей системы эти метаморфозы будут иметь самые печальные последствия: звезда увеличится практически до орбиты нашей планеты (в двести раз), поглотив Венеру и Меркурий. Астероиды оплавятся и потеряют свои летучие компоненты. В момент своего максимального расширения Солнце будет иметь радиус в 256 раз больше, чем сегодня. При этом оно будет стремительно терять массу из-за «звездного ветра». К моменту достижения земной орбиты наша звезда ежегодно будет лишаться 4,9 х 1020 тонн всего веса. За счет этого вещества могут значительно «набрать вес» планеты — газовые гиганты: Юпитер, Нептун и Сатурн. Правда, при этом они гарантированно лишатся колец и лун.

Земля, вероятно, окажется за пределами фотосферы, но мощные гравитационные силы звезды, скорее всего, захватят ее и бросят в недра Солнца. Часть ученых считает, что Земля и другие планеты, наоборот, будут отброшены дальше в глубокий космос. Но даже если наша планета избежит поглощения, любая жизнь на ней станет невозможной из-за экстремально высоких температур. За миллиард лет до гибели Земля лишится атмосферы, а океаны просто выкипят.

Любопытные метаморфозы ожидают Солнечную систему. Расширение звезды не только поглотит ближайшие к ней планеты, но и сдвинет зону обитаемости – теперь она будет простираться вплоть до пояса Койпера. Его объекты будут получать столько света и тепла, сколько сегодня достается нашей планете. Миры, скованные льдом на протяжении миллиардов лет, наконец-то дождутся тепла. Жидкая вода появится даже за орбитой Плутона, однако, до нее все превратится в безжизненную и выжженную пустыню.

Продлится все это буйство недолго – в стадии гиганта Солнце пробудет всего сто миллионов лет. После этого на его месте образуется туманность, в центре которой будет находиться белый карлик. Его притяжение уже не сможет удерживать планеты на их орбитах, что приведет к их столкновениям и образованию огромного количества астероидов.

Источник

Красный гигант

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

Содержание

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

10 8 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 10 <\mathfrak M>_» border=»0″/> — 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

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 фотосфердавление 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 10 8 К кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера: два ядра гелия (альфа-частицы) могут сливаться с образованием нестабильного изотопа бериллия Be 8 :

He 4 + He 4 = Be 8

Большая часть Be 8 снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении Be 8 с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода C 12 :

Be 8 + He 4 = C 12 + 7,3 МэВ.

Несмотря на весьма низкую равновесную концентрацию Be 8 (например, при температуре

10 8 К отношение концентраций Be 8 /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—2·10 8 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 (

10 4 —10 5 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

10 4 лет

В некоторых случаях углеродная детонация ядра, наблюдающаяся как вспышка сверхновой типа I

1. СО-белый карлик массой 0,6—0,7 солнечных, Планетарная туманность
2. 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

10 4 лет наблюдается как остаток сверхновой Нейтронная звезда > 30 Процессы неясны Процессы неясны Чёрная дыра с массой до 10 солнечных?