Что, если мы бросим на Солнце много ведер воды?

Становится жарче. Больше вещества сделает внутреннюю часть Солнца более плотной только за счет гравитации, плюс водород является топливом и будет способствовать тому, что Солнце сожжет их в процессе термоядерного синтеза. И кстати, если бросить воду вертикально с расстояния, равного расстоянию до земли, то при ударе вода разгонится до скорости больше 20 км/с, так что ее кинетическая энергия будет отдавать солнцу гораздо больше уже в этот момент, чем энергия, необходимая для кипячения этой воды до температуры солнца.

Заключение

В краткосрочной перспективе это зависит от скорости, с которой вы добавляете воду, и от того, как вы ее добавляете. В результате Солнце может стать более или менее ярким. В долгосрочной перспективе Солнце, вероятно, останется при той же температуре, станет более яркой, но не на ту величину, которую вы могли бы ожидать от простого масштабирования главной последовательности с массой, потому что добавляемый вами материал «богат металлами».

Краткосрочные эффекты

Давайте возьмем пример добавления 10% массы Солнца в виде жидкой воды (в ведрах, верно, но давайте также предположим, что вы не бросаете ведра). Вода не остается в виде молекул. Он легко диссоциирует на атомы, затем смешивается в зоне солнечной конвекции и затем ионизируется. Это требует энергии.

$0.1M_{\odot}$воды содержит$6.6\times 10^{54}$молекулы (около$10^{31}$родинки). При энергии диссоциации энергии 492 кДж/моль требуется$5 \times 10^{36}$J производить$1.2\times 10^{55}$Атомы H и$6.6\times 10^{54}$О атомы. Они смешиваются с конвекционной зоной Солнца, температура основания которой достигает около$2\times 10^{6}$К. Чтобы поднять атомы до этой температуры, требуется дальнейшая$3kT/2$на атом, примерно$8 \times 10^{38}$J. Атомы H сравнительно легко ионизируются при этих температурах (13,6 эВ на атом), но кислороду требуется колоссальная энергия 433 эВ, чтобы лишить 6 электронов (что подходит для температур$\sim 10^{6}$К). Таким образом, для ионизации материала требуется в общей сложности$5\times 10^{38}$Дж.

Таким образом, для усвоения материала в зоне конвекции требуется около$1.3\times 10^{39}$Дж, что эквивалентно выходной мощности Солнца за 100 000 лет. Теперь вы можете возразить, что эта энергия мала по сравнению с «тепловым резервуаром» внутри Солнца (например,$1M_{\odot}$водорода на$\sim 10^{7}$К имеет$5\times 10^{41}$J, но, тем не менее, равновесие Солнца будет нарушено, если этот материал будет добавлен в масштабе времени меньшем, чем тепловой масштаб конвективной зоны. Это, в свою очередь, дается$\sim GM_{\odot}\times 0.02M_{\odot}/R_{\odot}L_{\odot} \sim 6\times 10^{5}$годы. Если вода добавляется быстро, можно поэтому ожидать, что Солнце будет «потушено» на сто тысяч лет, поскольку энергия, находящаяся во внешней зоне конвекции, расходуется на ионизацию добавленного материала.

Но мы также должны учитывать , как добавляется вода. Если бы его каким-то образом «сбросили» с орбиты Земли, он бы обладал угловым моментом и кинетической энергией. Если бы хотя бы половина гравитационной потенциальной энергии, выбрасываемой с орбиты Земли на поверхность Солнца, была бы «поглощена» Солнцем, это обеспечило бы$>10^{40}$Дж - достаточно легко для подачи тепла, необходимого в предыдущем пункте. В этом случае возникнет огромный положительный энергетический дисбаланс в зоне конвекции, который заставит Солнце расшириться и стать более ярким на несколько сотен тысяч лет.

Таким образом, если вода будет добавлена ​​быстро (менее чем за 100 000 лет!) Солнце будет выведено из равновесия, но эффекты могут идти в любом направлении в зависимости от того, как вода добавляется.

Однако я обойду эти вопросы и просто посмотрю, что происходит в более длительных временных масштабах, когда Солнце приходит в новое равновесие после добавления воды.

Долгосрочные эффекты

Вы можете подумать, что добавление массы к Солнцу заставит его принять конфигурацию главной последовательности более массивной звезды, но это сложнее. Если вы добавляете воду, то это в основном кислород по массе. Частично ионизированный кислород является отличным источником непрозрачности и значительно изменит общую « металличность » (все, что тяжелее гелия) Солнца. Для дополнительных 10% массы, добавленных в виде воды, металличность увеличится с 1,3% металлов по массе до примерно 9%.

Насколько мне известно, никто не проводил расчетов звездной структуры звезды с такой экстремальной металличностью. В природе самые богатые металлами звезды имеют металличность примерно в 5 раз больше, чем у Солнца ( До и др., 2018 ).

Эффекты дополнительных металлов (особенно кислорода) заключаются в увеличении непрозрачности газа и снижении скорости, с которой энергия может переноситься из ядра. Внешняя зона конвекции также станет намного больше, поскольку большая часть звезды станет восприимчивой к конвективной нестабильности.

Лучшее, что я могу сделать, это указать вам на расчеты металличности 5%, рассчитанные Pietrinferni et al. (2013), а затем вы можете интерполировать (или экстраполировать на свой страх и риск) соответствующим образом. Из их рис.3 видно, что богатая металлом$1M_{\odot}$звезда на 30% менее яркая и имеет на 10% более низкую температуру поверхности, чем звезда солнечной металличности той же массы. Поэтому он также должен быть немного меньше. Тем не менее, нам нужно провести сравнение с$1.1M_{\odot}$богатая металлами звезда на главной последовательности. Вы можете напрямую сравнить модель с высоким содержанием металла на$1.1M_{\odot}$с моделью солнечной металличности на$1M_{\odot}$. Получается, что звезда с добавлением металлов примерно такой же температуры, но на 20% ярче Солнца (и, следовательно, должна быть примерно на 10% больше). Я предупреждаю вас, однако, что это масштабированные модели солнечной металличности, они не совсем соответствуют богатой кислородом природе добавленного здесь материала, и они также включают повышенное содержание гелия, чтобы соответствовать повышенной металличности. Я также хотел бы предостеречь, что я не учитывал, насколько хорошо богатый металлами материал может быть перемешан под зоной конвекции и в ядре (модели предполагают, что звезда рождается из газа с таким содержанием).