¿Cómo puede un gigante rojo crecer tan grande?

Supuestamente, cuando el sol se convierta en un gigante rojo, crecerá lo suficiente como para tragarse la Tierra.

Sin embargo, esto requiere que el radio del sol se expanda por un factor de aproximadamente 215 ×, lo que significa que su volumen tendría que expandirse 10,000,000 ×.

Tal vez soy solo yo, pero algo sobre esto no se siente intuitivo :-) especialmente dado que el sol no está ganando mucha masa. Exactamente, ¿qué hay de fusionar elementos más pesados ​​que el hidrógeno implica que los reactivos y / o productos toman 10,000,000 × de volumen? Nadie explica esto cuando explica la vida estelar, y no entiendo por qué debería ser así. (De hecho, hubiera esperado que la fusión resultara en una disminución en el volumen, dado que los núcleos se están combinando ...)

Editar:

Parece que hay 2 tipos de gigantes rojas, algunas que ocurren durante la fusión de hidrógeno, algunas de helio.
Si la respuesta es diferente para estos dos tipos, al menos me gustaría saber la respuesta para el tipo de helio (aunque, por supuesto, agradecería uno que vaya más allá y aborde ambos).

En mi opinión, ninguna de estas explicaciones realmente cubre la razón real por la que los gigantes rojos se expanden. De hecho, este tema parece un área donde las personas inventan algo que suena plausible, pero a menudo es bastante incorrecto (Fraser Cain menciona presión leve y un volumen más alto en la cubierta de fusión, pero la presión ligera no juega ningún papel, y el el volumen del caparazón no es muy diferente del núcleo, que es mucho más pequeño que el núcleo del Sol). Así que aclaremos la historia.

Muchas de las descripciones incluyen algunos de los elementos clave, incluido el hecho de que tiene una capa de fusión de hidrógeno sobre un núcleo de helio degenerado inerte. Pero la razón clave de la expansión es que la forma en que este caparazón autorregula su velocidad de fusión es bastante diferente de la forma en que el núcleo del Sol está autorregulando su fusión ahora.

Ahora, el núcleo del Sol autorregula su velocidad de fusión para que coincida con la velocidad en que la energía (en forma de luz) se difunde a través de la masa del Sol. La forma en que lo hace es esencialmente la misma en todas las estrellas de secuencia principal: regulan su temperatura central, por lo que la temperatura central de las estrellas más luminosas de secuencia principal es un poco más alta. Pero esta no es la forma en que la cáscara que se fusiona en un gigante rojo autorregula su velocidad de fusión: no puede regular su temperatura, porque la temperatura le es transmitida por la gravedad del núcleo degenerado sobre el que se asienta. (Esto establece la temperatura a través del teorema virial, esa es la forma clave en que el núcleo degenerado afecta el caparazón: establece su temperatura). Dado que el caparazón no regula su propia temperatura, la temperatura tiende a ser bastante alta, especialmente a medida que el núcleo gana masa (es por eso que la luminosidad aumenta con el tiempo). La fusión es muy sensible a la temperatura, por lo que estar atrapado con una temperatura muy alta hace que la velocidad de fusión aumenteloco . El resto de la estrella no puede soportar esta espectacular velocidad de fusión, por lo que sucede algo más.

La estrella se hincha, y al hacerlo, encontramos la forma en que el caparazón regula su propia velocidad de fusión: levanta el peso del caparazón . Eso reduce la presión en el caparazón, lo que compensa la alta temperatura y reduce la velocidad de fusión a lo que el resto de la estrella puede manejar (que se establece mediante la velocidad de la luz que puede difundirse a través del caparazón). Entonces, esta es la verdadera razón: la estrella debe encontrar una manera de levantar el peso de su caparazón de alta temperatura para evitar que la tasa de fusión se vuelva loca, pero el resultado es que la tasa de fusión sigue siendo bastante alta y aumenta a medida que aumenta la masa del núcleo aumenta, lo que obliga a la temperatura de la carcasa a subir aún más y obliga a la estrella a hincharse aún más.

Hay una buena descripción aquí . Recuerde que una estrella está hecha de gas (bien plasma si quiere ser exigente), por lo que no tiene un volumen fijo. Una vez que comienza la fusión, una estrella se expandirá hasta alcanzar un tamaño en el que pueda equilibrar la cantidad de energía producida por la fusión con la cantidad irradiada desde la superficie. Si es demasiado pequeño, se calentará, causando una expansión que (dependiendo de qué partes de la estrella se estén expandiendo) reducirá la energía producida y aumentará la cantidad irradiada. Una comprensión más detallada de esto requiere hacer un seguimiento de cómo la temperatura y la densidad varían con la profundidad de la estrella.

En un gigante rojo, la energía se produce no en el núcleo, sino en una cubierta esférica que rodea el núcleo (porque el núcleo se ha quedado más o menos sin combustible). Este es en realidad un volumen mayor, por lo que se produce más energía. La estrella se expande hasta que puede irradiar toda esa energía.

Encontré una descripción con solo cantidades moderadas de matemáticasespecialmente alrededor de la página 132. Entonces, una cosa es que tienes un núcleo de helio, con fusión de hidrógeno justo afuera. Eso significa que hay menos masa "por encima" de la capa de fusión, por lo que la fusión en realidad está ocurriendo a presiones más bajas que cuando ocurría en el núcleo. Eso requiere temperaturas más altas en esa capa, y cuando haces las ecuaciones, una producción de energía total mucho más alta. Ese flujo de energía, ya sea a medida que la radiación o la convección alcanza las capas externas de la estrella, e inicialmente las calienta, lo que hace que se expandan (ya que la gravedad de las estrellas está más o menos inalterada y, por lo tanto, no puede empujarlas hacia abajo con más fuerza). Al expandirse, se enfrían, lo que significa que atrapan más radiación (el gas más frío es menos transparente) e irradian menos, y se calientan nuevamente y se expanden nuevamente. Esto continúa hasta que se encuentre un punto de equilibrio (o no, para estrellas mucho más grandes que el sol, que pueden volar gran parte de su masa de esta manera) y cuando haces los números resulta que este equilibrio requiere una estrella muy grande. Quizás una forma de pensarlo es que una estrella mucho menos masiva que el sol se apaga lentamente. Una estrella mucho más masiva que el sub explota. El Sol está posicionado entre los dos, por lo que "casi explota", pero se detiene cuando sus capas externas se han vuelto muy grandes.

Una observación adicional es que la densidad en las partes superiores de un gigante rojo es bastante baja: según nuestros estándares, es un vacío decente, contaminado con gas al rojo vivo. Sin embargo, debido a que la estrella es tan grande, todavía es opaca, por lo que contamos eso como parte de la estrella.

El tamaño de la estrella en equilibrio es un equilibrio de fuerzas, la presión producida por el plasma caliente, calentada por las reacciones nucleares en el núcleo, equilibrada por la gravedad.

Las velocidades de fusión se ven fuertemente afectadas por la temperatura. Aumente un poco la temperatura y obtendrá mucha más energía. A medida que el núcleo se queda sin hidrógeno, comienza a colapsarse y a calentarse, formando un núcleo de helio degenerado inerte rodeado por una capa de hidrógeno que se quema rápidamente. En este nuevo equilibrio se libera mucha más energía. Esta retroalimentación positiva significa que lo que parece un pequeño cambio (quema de núcleo a caparazón) tiene un efecto masivo en la producción de energía de la estrella.

Ahora, cuando una estrella evoluciona, emite mucha más energía por segundo. Aldebarán produce 500 veces más energía por segundo que el sol, a pesar de ser solo un poco más grande.

Ahora, esto hace que la estrella aumente de tamaño, pero a medida que la estrella se hace más grande, las capas externas están más alejadas del centro de gravedad, por lo que la fuerza de gravedad sobre ellas se reduce, de acuerdo con la ley del cuadrado inverso. Con menos gravedad, el crecimiento en el tamaño se amplifica. Entonces, un gran aumento en el poder se convierte en un aumento masivo en el tamaño. Esta es la razón por la cual el crecimiento en tamaño es mucho mayor de lo que predeciría la simple intuición sobre la expansión del gas caliente.

En las etapas finales de la evolución de una estrella, el tamaño de la estrella crece sin límite, ya que la gravedad de la estrella no es suficiente para mantener sus capas externas unidas a la estrella, y se convierte en una nebulosa planetaria.

La forma intuitiva de pensarlo es entender que hay múltiples cambios que, en esencia, se amplifican mutuamente. La amplificación en astronomía no es tan infrecuente. Explica por qué la gravedad puede hacer que los objetos masivos sean tan pequeños, porque a medida que el objeto masivo se hace más pequeño, la gravedad y el peso del objeto crecen exponencialmente. En cierto sentido, sucede lo contrario con un gigante rojo. La gravedad en la superficie disminuye lo suficiente como para que la estrella entre en una expansión de fuga.

La expansión de la estrella al final de su vida es exponencial. Es por eso que puede expandirse tanto.

Si el sol se duplicara pero su masa se mantuviera sin cambios. En este caso hipotético, la gravedad de la superficie del nuevo Sol se divide por 4. Su velocidad de escape se divide por la raíz cuadrada de 2, por lo que la capa externa tiene mucho menos peso, pero la velocidad de escape todavía la une a la estrella. En igualdad de condiciones, la expansión del sol debería hacer que se enfríe, pero utilizando la regla cuadrática media de la raíz para la velocidad térmica, si la temperatura se divide por 2, la velocidad de las moléculas de hidrógeno y helio se divide por la raíz cuadrada de 2.

En esta teoría, los átomos de hidrógeno en la superficie se mueven un poco más lentamente, pero con 1/4 de la gravedad, son más libres y pueden moverse más lejos de la estrella en función de su velocidad térmica.

Si seguimos expandiendo el sol, llega un punto en el que el hidrógeno externo queda increíblemente unido. En tamaño gigante rojo, digamos, 1 UA en radio o 215 radios solares actuales, la gravedad es unas 46,000 veces más baja y el hidrógeno en la superficie solo experimenta 0.006 m / s ^ 2 de aceleración gravitacional, pero esas mismas moléculas de hidrógeno en gigante rojo temperatura (unos 3.000 grados K), se mueven unos 5,5 km / s. Pueden volar lejos de la superficie durante más de un millón de km basándose solo en su energía térmica, en comparación con aproximadamente 100 km en la superficie del sol actualmente (basado en poco menos de 8 km / s).

En ambos casos, la capa externa de hidrógeno y helio está en equilibrio, es solo que la gravedad y el tamaño gigante rojo son tan inferiores que con el gigante rojo, el equilibrio es un gas muy flojo muy poco unido. Pero esa es solo una parte de la razón.

Considere qué más sucede a medida que el sol envejece.

Fuente .

El núcleo, donde ocurre la fusión, es una región relativamente pequeña en el centro. Envuelto alrededor del núcleo está la zona radiactiva y la zona conductora. que ayudan a mantener el calor de la fusión atrapado dentro del sol. Como resultado, con el tiempo, el interior del sol se calienta más y a medida que se calienta más, el núcleo se agranda y abarca cada vez más la zona radiactiva.

Si pensamos en la zona radiactiva como una especie de manta que atrapa el calor dentro del sol, a medida que el núcleo se hace más grande y más masivo, la zona radiactiva se estira y pierde masa en el núcleo, por lo que se vuelve más delgada de dos maneras. Si el tamaño del núcleo se duplica, los fotones del núcleo deben viajar a través de 1/4 de la cantidad de moléculas. A medida que el sol envejece lo suficiente y la mayor parte de la fusión ocurre en el borde exterior del núcleo, hay una cantidad significativamente menor de una manta para mantener el calor atrapado. No es tanto que se esté creando más energía, es que esa energía tiene una camino más fácil a la región exterior del sol. Entonces tiene un efecto de amplificación, a medida que el sol se hace más grande, la gravedad de la superficie cae por el cuadrado del radio y el calor interno tiene menos material que atravesar para llegar a las capas externas,

El colapso interno del núcleo también puede desempeñar un papel. Incluso cuando el núcleo interno se queda sin hidrógeno para fusionarse y comienza a colapsar, el acto de colapsar genera un calor significativo.

No estoy seguro de que eso esté claro, pero ese es mi intento de explicar lo que sucede intuitivamente.