Почему выделение энергии при He-вспышке в звездах почти взрывоопасно?

Не могу сложить 2-2 и вместе относительно того, как инертное вырожденное ядро ​​He преобразуется в He-вспышку. Кроме того, в какие именно моменты начинают происходить вырождение и He-вспышка?

Ответы (4)

Краткий ответ: это комбинация (1) воспламенения, происходящего в электронно-вырожденном, изотермическом сердечнике, в котором уравнение состояния не зависит от температуры; и (2) экстремальная температурная зависимость реакции тройного альфа-гелиевого синтеза.

Подробности:

Гелиевая вспышка происходит на кончике ветви красных гигантов первого восхождения у звезд с массами от 0,5 до примерно 2 масс Солнца. В этот момент звезда состоит из гелиевого ядра, окруженного энергично горящей водородной оболочкой, окруженной очень большой конвективной оболочкой.

Ядро - это остаток от сжигания водорода в ядре, дополненный гелием, полученным в результате горения водородной оболочки, которое вступает во владение после того, как водород в ядре исчерпан. Радиус инертного ядра уменьшается по сравнению с размером основной последовательности, потому что у него больше массы на частицу, поэтому плотность должна увеличиваться, чтобы поддерживать давление. При этом теорема вириала требует, чтобы он также становился горячее. Горящая оболочка выбрасывает в ядро ​​все больше и больше He, ядро ​​все больше сжимается и нагревается.

В звездах > 2 масс Солнца ядро ​​нагревается достаточно, чтобы зажечь гелий в тройном альфа-процессе. Это повышает температуру ядра, но не значительно, потому что в то же время увеличивается давление , ядро ​​сильно расширяется, а горящая водородом оболочка выталкивается наружу и гаснет.

В звезде с меньшей массой все по-другому. Плотность ядра He возрастает до такой степени, что электроны ядра становятся вырожденными. Давление вырождения электронов (EDP) доминирует над полным давлением газа и возникает из-за того, что при достаточно высоких плотностях электроны заполняют все квантовые состояния с низкой энергией. EDP ​​зависит только от плотности, а не от температуры.

Ядро, поддерживаемое EDP, становится меньше и плотнее, чем оно массивнее, поэтому становится более вырожденным, когда на него сбрасывается пепел He. Но он также находится внутри чрезвычайно светящейся горящей оболочки H, которая его нагревает. В звездах более массивных, чем 0,5 массы Солнца, в конце концов ядро ​​становится достаточно горячим ( ∼ 10 8 K), чтобы зажечь He. Поскольку вырожденные электроны обладают чрезвычайно высокой проводимостью, сердечник почти изотермичен, поэтому воспламенение быстро распространяется по сердечнику. Это повышает температуру ядра, но, что особенно важно, не давление ядра (EDP не зависит от температуры, и, как объясняет Кен Джи в своем ответе, большая часть тепла поглощается невырожденными ионами, которые почти не влияют на давление). Он просто становится горячее, и синтез гелия значительно увеличивается , потому что он очень чувствителен к температуре (примерно пропорционально Т 40 !!). Этот неуправляемый процесс называется «гелиевой вспышкой».

В конце концов температура поднимается достаточно (примерно до 3 × 10 8 K) для снятия электронного вырождения ядро ​​быстро расширяется, Н-оболочка гаснет и светимость ядра падает.

Гелий химически инертен, но в условиях, присутствующих в ядре звезды или на поверхности аккрецирующего белого карлика, гелий склонен к синтезу. Гелий вырожден, что означает, что структура ядра гелия / белого карлика не поддерживается температурой, а это означает, что энергия, вырабатываемая во время синтеза, не заставляет ядро ​​​​расширяться, как если бы оно поддерживалось тепловой энергией. Это отсутствие расширения означает, что синтез может убежать и поглотить все ядро, очень быстро производя огромное количество энергии.

Что касается того, когда это произойдет, то должно быть ядро ​​из вырожденной материи. Если масса звезды больше примерно 2,5 М ⊙ , гелиевое ядро ​​не станет вырожденным до того, как оно начнет плавиться, поэтому гелиевой вспышки не будет. В случае белых карликов гелий уже вырожден, поэтому, пока продолжается аккреция, давление будет расти до тех пор, пока не произойдет вспышка гелия.

«Отсутствие расширения означает, что синтез может убежать и поглотить все ядро, очень быстро производя огромное количество энергии». Является ли это следствием теоремы Вириала и необходимостью звезды производить больше энергии, чтобы противостоять гравитационному коллапсу? PS: Я думаю, вы представили, не закончив последнее предложение.
Я исправил последнюю фразу. Кроме того, я бы сказал, что это не следствие теоремы Вириала, поскольку давление на ядро ​​исходит от остальной части звезды, а не от собственной гравитации. Однако то, что вы говорите, верно и является причиной коллапса ядра, когда синтез прекращает производить энергию на Fe.

Это может быть не очень хорошим объяснением, но суть его в том, что по мере того, как звезды становятся горячее, даже если они со временем становятся менее плотными, дополнительное тепло ускоряет процесс синтеза. Слияние гелия может произойти только при температуре около 100 миллионов градусов. Температура в ядре нашего Солнца составляет 15 миллионов градусов - новая энергия все время создается путем синтеза водорода и дейтерия, но энергия также излучается наружу, поэтому оно нагревается медленно, и ядро ​​никогда не достигнет 100 миллионов градусов, пока не разрушится. и начинается синтез гелия.

Как только начинается синтез гелия, тепло увеличивается, и это помогает поддерживать процесс синтеза.

2 вещи, которые нужно иметь в виду. 1, когда у Солнца есть вырожденное гелиевое ядро, у него все еще будет водород вокруг ядра, горящий по краю, поэтому, когда оно войдет в гелиевую вспышку и расширится до красного гиганта, в то время это будет комбинация гелия и водородного синтеза.

2, синтез водорода происходит редко. что-то вроде 99,9999% времени, когда 2 протона встречаются, они просто снова разделяются. Протон-протонный синтез похож на двух застенчивых людей в баре — большую часть времени, даже если они сталкиваются друг с другом, связь часто не устанавливается. Это только 1 из миллиона взаимодействий, когда 2 протона становятся дейтерием и позитроном — позитрон быстро встречает электрон, но взаимодействие протон-протон происходит более неохотно. Гелий-гелий, насколько я понимаю, менее охотно подвергается термоядерному переходу в цикле CNO, раз температура достаточно высока. Так что, как только это начнется, это может произойти быстрее.

Если это не так, дайте мне знать. Это мое понимание процесса с точки зрения непрофессионала.

Звезды не становятся «менее плотными со временем» — это намного сложнее. Важны условия ядра, и ядро ​​становится более плотным с течением времени, относящимся к этому вопросу, что приводит к вспышке He. Гелиевая вспышка завершает фазу красного гиганта, а не предвестник. Красные гиганты первого восхождения сжигают водород в оболочке, вот и все.
Спасибо за исправление. Я не знал этого о красных гигантах, я предположил, что это горит гелий. Я предполагаю, что сплав ближе к поверхности заставляет звезду так сильно расширяться. И я также понимаю, что вы говорите о плотности — он намного плотнее, чем H, я думал, что более горячее ядро ​​будет расширяться из-за тепла, что является базовой физикой, но это может быть меньшим фактором, чем уменьшение водорода и увеличение гелия - так что это имеет смысл.

Существует очень распространенное заблуждение, что плазма, поддерживаемая давлением вырожденных электронов, не будет расширяться при подводе к ней тепла. Это неверно, это было бы основным нарушением теоремы вириала. Когда к идеальному газу или к вырожденному газу добавляется тепло, расширение совершенно одинаково, если они оба нерелятивистские, потому что расширение (и, кстати, давление) зависит только от увеличения внутренней кинетической энергии. Это так же верно для вырожденного газа, как и для идеального газа, различие здесь связано с температурным поведением, а не с давлением. Это настолько распространенное заблуждение, что я почти отчаиваюсь пытаться его исправить!

Благодаря удивительно элегантному процессу, который, к сожалению, упускают из виду, в действительности происходит то, что при гелиевой вспышке происходит то, что, когда тепло добавляется к газу, поддерживаемому давлением вырожденных электронов, все это тепло идет на повышение температуры ионов, точно так же, как обычно заявлено. Однако совершенно неверно, что газ не расширяется — вместо этого добавочное тепло вызывает уменьшение вырождения электронов, что производит точно такое же расширение и работу расширения, которые сделали бы добавление того же тепла к идеальному газу. . Это теорема вириала. Таким образом, это означает, что газ действительно расширяется, но вся работа по поддержанию этого расширения происходит за счет кинетической энергии электронов, а ионы могут свободно поглощать все добавляемое тепло. Причина, по которой ионы получают тепло, заключается в том, что они имеют гораздо более высокую удельную теплоемкость, потому что они не вырождены (их температура повышается гораздо медленнее при подводе тепла), и частицы с более высокой удельной теплоемкостью всегда получают пропорционально большую долю теплоемкости. добавил тепла! Таквот что вызывает термоядерный разгон, дело не в том, что расширение отсутствует , а в том, что расширение не имеет отношения к температуре, если электроны вырождены. Расширение такое же, как и у идеального газа при заданной теплоте.

Способ сказать, что обычное объяснение гелиевой вспышки, которое вы найдете повсюду, неверно, состоит в том, что в обычном объяснении вы должны ожидать, что термоядерный разгон произойдет, даже если число и масса ионов будут такими же, как и электроны. Ясно, что если вы думаете, что это происходит из-за отсутствия расширения вырожденного газа, то нет проблем, если ионы так же вырождены, как и электроны. Но на самом деле никакого термоядерного разгона в этом случае не произошло бы, потому что тогда расширение отняло бы у ионов кинетическую энергию, как уже отбирает у электронов. Если ионы не менее вырождены, то они не обладают той более высокой удельной теплоемкостью, которая позволяет им сожрать львиную долю добавочного тепла. Внутренняя энергия газа будет вести себя так же, как и для идеальных газов,

«При добавлении тепла ... к вырожденному газу». Вырожденные газы не содержат теплоты — если к вырожденному газу добавить «значительную» теплоту, то он перестанет быть вырожденным. Единственная причина расширения в том, что газ частично вырожден.
Я тоже мучаюсь с последним абзацем. Вы говорите, что не следует рассматривать расширение, кроме как с ионами и электронами как с вырожденными видами, но затем продолжаете, говоря, что «расширение лишило бы КЕ ионов…»? На самом деле, если бы ионы были вырожденными, разгон был бы более экстремальным. То же добавленное тепло приведет к еще более высоким температурам и еще более быстрым ядерным реакциям, но с небольшим увеличением давления. Внутренняя энергия идеального газа зависит от его температуры, а вырожденного газа - нет.
Нет. Для всех типов нерелятивистского газа, включая вырожденный газ, давление составляет просто 2/3 внутренней кинетической энергии. Таким образом, все, что добавляет внутреннюю кинетическую энергию, всегда будет иметь точно такой же эффект на давление, не имеет никакого значения, вырожден газ или нет. На что влияет вырождение, так это на температуру, давлению все равно, вырожден ли газ или нет, в любой ситуации, когда вы можете отслеживать историю внутренней кинетической энергии, например, всякий раз, когда вы добавляете тепло и применяете первый закон термодинамики.
Ваш второй комментарий демонстрирует именно то заблуждение, о котором я говорю. Это очень распространенное заблуждение, оно встречается в других надежных источниках, так что неудивительно, что вы стали его жертвой. Обычное неверное объяснение предполагает, что если бы и электроны, и ионы были бы вырожденными, то разгон был бы еще хуже, но на самом деле его бы вообще не было — логика для этого дана выше.
Хорошо, я понимаю, что вы говорите, и вторая часть моего второго комментария неверна. Но вам нужно кое-что перефразировать, потому что вы начинаете с того, что говорите о модели, в которой нет расширения, а затем говорите, что расширение отнимет у КЭ ионы. Насколько я вижу, мой ответ выше в порядке. Я утверждаю, что давление газа не увеличивается с температурой — и это правда. Причина в том, что вы описали выше - тепло уходит в ионы.
Неверно, что давление не повышается, и неверно, что расширение вырожденного газа чем-либо отличается от расширения идеального газа, когда термоядерный синтез добавляет к нему тепло. Причина вспышки никак не связана с недостатком расширения, потому что недостатка в расширении нет. Это связано с теплоемкостью идеальных ионов по сравнению с вырожденными электронами и с тем фактом, что работа по расширению выполняется электронами, а не ионами.
Я не согласен. В активной зоне непосредственно перед вспышкой гелия давление определяется EDP — это требование для вспышки гелия. Добавление тепла дает KE ионам, но не электронам, и поэтому чистое давление не повышается.
Все было правильно до последнего "и так". Это заблуждение - добавление тепла к вырожденному газу не повышает давление. Это неправильно, добавление тепла повышает давление точно так же, как это было бы для идеального газа, потому что в обоих случаях давление составляет 2/3 плотности внутренней кинетической энергии. Это решающий факт, который необходимо понять, он не вызывает споров — его просто не замечают.
По вашему мнению , вырожденным электронам достается мало тепла; и я согласен. Давление газа равно п "=" п е + п я , где п е ≫ п я . Когда вы нагреваете газ, температура увеличивается, плотность более или менее не меняется. Так что только только п я значительно увеличивается и Δ п маленький. Вырожденный электронный газ имеет Е Ф / к Т ∼ 20 , поэтому внутренняя кинетическая энергия около 15 к Т на электрон. Чтобы значительно увеличить давление электронного газа, потребовалось бы повышение температуры на порядок, что увеличило бы скорость горения гелия на 400 порядков.
Рассмотрим: два газовых шара массой 1 солнечная с одинаковой массой, радиусом и внутренней кинетической энергией. Один объединяет ионы с неразличимыми маломассивными вырожденными фермионами, другой объединяет те же самые ионы с различимыми маломассивными частицами, которые точно такие же, как и первые, за исключением того, что они не вырождены (потому что они различимы). Давление и сила тяжести в обоих случаях будут совершенно одинаковыми, и реакция давления на добавление тепла при плавлении также будет точно такой же. Это следует из того простого факта, что давление в обоих случаях составляет 2/3 плотности кинетической энергии.
Почему выделение энергии при He-вспышке в звездах почти взрывоопасно?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v