Comment un géant rouge peut-il devenir si gros?

Soi-disant lorsque le soleil devient une géante rouge, il grandira suffisamment pour avaler la Terre.

Cependant, cela nécessite que le rayon du soleil augmente d'un facteur d'environ 215 ×, ce qui signifie que son volume devrait augmenter de 10 000 000 ×.

C'est peut-être juste moi, mais quelque chose à ce sujet ne semble pas intuitif :-) d'autant plus que le soleil ne gagne pas beaucoup de masse. Qu'en est-il exactement de la fusion d'éléments plus lourds que l'hydrogène, qui implique que les réactifs et / ou les produits prennent 10 000 000 × de volume? Personne n'explique jamais cela en expliquant la durée de vie stellaire, et je ne comprends pas pourquoi cela devrait être le cas. (En fait, je m'attendais à ce que la fusion entraîne une diminution du volume, étant donné que les noyaux se combinent ...)

Éditer:

Il semble qu'il existe 2 types de géantes rouges, certaines qui se produisent lors de la fusion de l'hydrogène, d'autres l'hélium.
Si la réponse est différente pour ces deux types, j'aimerais au moins connaître la réponse pour le type d'hélium (bien sûr, j'apprécierais une qui va plus loin et aborde les deux).

Dans mon esprit, aucune de ces explications ne couvre vraiment la raison réelle de l'expansion des géants rouges. En effet, ce sujet semble être un domaine où les gens inventent tout ce qui semble plausible, mais c'est souvent tout à fait faux (Fraser Cain mentionne à la fois une pression légère et un volume plus élevé dans la coque de fusion, mais la pression légère ne joue aucun rôle du tout, et la le volume de la coque n'est pas très différent de celui du noyau, qui est bien plus petit que le noyau du soleil). Alors, mettons les choses au clair.

La plupart des descriptions incluent certains des éléments clés, y compris le fait que vous avez une coque de fusion d'hydrogène en cours au sommet d'un noyau d'hélium dégénéré inerte. Mais la raison principale de l'expansion est que la façon dont cette coquille autorégule son taux de fusion est assez différente de la façon dont le noyau solaire autorégule sa fusion maintenant.

Maintenant, le cœur du Soleil autorégule son taux de fusion pour correspondre à la vitesse à laquelle l'énergie (sous forme de lumière) se diffuse à travers la masse du Soleil. La manière de procéder est essentiellement la même pour toutes les étoiles de la séquence principale: elles régulent leur température centrale, c'est pourquoi la température centrale des étoiles de la séquence principale plus lumineuses est un peu plus élevée. Mais ce n'est pas du tout la façon dont la coquille fusionnant dans une géante rouge autorégule son taux de fusion - elle ne peut pas réguler sa température, car la température lui est transmise par la gravité du noyau dégénéré sur lequel elle se trouve. (Cela définit la température via le théorème virial, c'est la principale façon dont le noyau dégénéré affecte la coquille - il règle sa température.) Puisque la coquille ne régule pas sa propre température, la température a tendance à être assez élevée, d'autant plus que le noyau gagne en masse (c'est pourquoi la luminosité augmente avec le temps). La fusion est très sensible à la température, donc être coincé avec une température très élevée fait augmenter le taux de fusionfou furieux . Le reste de l'étoile ne peut pas supporter ce taux de fusion spectaculaire, alors quelque chose d'autre se passe.

L'étoile gonfle et, ce faisant, nous trouvons la façon dont la coquille régule son propre taux de fusion: elle soulève le poids de la coquille . Cela réduit la pression dans la coque, ce qui compense la température élevée et ramène le taux de fusion à ce que le reste de l'étoile peut gérer (qui est fixé par le taux de lumière pouvant diffuser à travers la coque). Il y a donc la vraie raison - l'étoile doit trouver un moyen de soulever le poids de sa coque folle à haute température pour empêcher le taux de fusion de devenir fou, mais le résultat est que le taux de fusion est toujours assez élevé, et augmente au fur et à mesure que la masse du noyau augmente, forçant la température de la coquille à monter toujours plus et forçant l'étoile à gonfler encore plus.

Il y a une belle description ici . N'oubliez pas qu'une étoile est faite de gaz (enfin de plasma si vous voulez être pointilleux), donc elle n'a pas de volume fixe. Une fois que la fusion commence, une étoile se dilate jusqu'à atteindre une taille où elle peut équilibrer la quantité d'énergie produite par la fusion avec la quantité rayonnée loin de la surface. S'il est trop petit, il chauffera, provoquant une expansion qui (selon les parties de l'étoile en expansion) réduira l'énergie produite et augmentera la quantité rayonnée. Une compréhension plus détaillée de cela nécessite de garder une trace de la façon dont la température et la densité varient avec la profondeur de l'étoile.

Dans une géante rouge, l'énergie est produite non pas dans le cœur, mais dans une coquille sphérique entourant le cœur (car le cœur est plus ou moins à court de carburant). Il s'agit en fait d'un plus grand volume, donc plus d'énergie est produite. L'étoile se dilate jusqu'à ce qu'elle puisse rayonner toute cette énergie.

J'ai trouvé une description avec seulement des quantités modérées de mathématiquessurtout autour de la page 132. Donc, une chose est que vous avez un noyau d'hélium, avec une fusion d'hydrogène juste à l'extérieur. Cela signifie qu'il y a moins de masse "au-dessus" de la couche de fusion, donc la fusion se produit en fait à des pressions plus faibles que lorsqu'elle se produisait dans le cœur. Cela nécessite des températures plus élevées dans cette couche, et lorsque vous effectuez les équations, une production d'énergie totale beaucoup plus élevée. Ce flux d'énergie, que ce soit lorsque le rayonnement ou la convection atteint les couches externes de l'étoile, et les chauffe initialement, les faisant se dilater (car la gravité des étoiles est plus ou moins inchangée et ne peut donc pas les abaisser plus fort). En se dilatant, ils se refroidissent, ce qui signifie qu'ils piègent davantage les rayonnements (les gaz plus froids sont moins transparents) et rayonnent moins, et ils sont à nouveau chauffés et se dilatent à nouveau. Cela continue jusqu'à ce qu'un point d'équilibre soit trouvé (ou non, pour les étoiles beaucoup plus grandes que le soleil qui peuvent souffler une grande partie de leur masse de cette façon) et quand vous faites les nombres, il s'avère que cet équilibre nécessite une très grande étoile. Peut-être qu'une façon de penser est qu'une étoile beaucoup moins massive que le soleil s'éteint lentement. Une étoile beaucoup plus massive que le sous-éclaté. Le Soleil est en équilibre entre les deux, donc il "explose presque" mais s'arrête lorsque ses couches externes sont devenues très grandes.

Une remarque supplémentaire est que la densité dans les parties supérieures d'une géante rouge est assez faible - selon nos normes, c'est un vide décent, contaminé par du gaz chauffé au rouge. Cependant, parce que l'étoile est si grande, elle est toujours opaque, donc nous comptons cela comme faisant partie de l'étoile.

La taille de l'étoile en équilibre est un équilibre des forces, la pression produite par le plasma chaud, chauffée par les réactions nucléaires dans le cœur, équilibrée par la gravité.

Les taux de fusion sont fortement affectés par la température. Augmentez un peu la température et vous obtenez beaucoup plus d'énergie. À mesure que le noyau manque d'hydrogène, il commence à s'effondrer et à chauffer, formant un noyau d'hélium dégénéré inerte entouré d'une coquille d'hydrogène brûlant rapidement. À ce nouvel équilibre, beaucoup plus d'énergie est libérée. Cette rétroaction positive signifie que ce qui semble être un petit changement (combustion du cœur à la coquille) a un effet massif sur la production d'énergie de l'étoile.

Maintenant, lorsqu'une étoile évolue, elle émet beaucoup plus d'énergie par seconde. Aldebaran produit 500 fois plus d'énergie par seconde que le soleil, bien qu'il ne soit qu'un peu plus gros.

Maintenant, cela fait augmenter la taille de l'étoile, mais à mesure que l'étoile grossit, les couches externes sont plus éloignées du centre de gravité, et donc la force de gravité sur elles est réduite, conformément à la loi du carré inverse. Avec moins de gravité, la croissance de la taille est amplifiée. Ainsi, une forte augmentation de puissance devient une augmentation massive de la taille. C'est pourquoi la croissance de la taille est tellement plus grande que ne le laisse présager une simple intuition sur l'expansion du gaz chaud.

Aux derniers stades de l'évolution d'une étoile, la taille de l'étoile augmente sans limite, car la gravité de l'étoile n'est pas suffisante pour maintenir ses couches externes liées à l'étoile, et elle devient une nébuleuse planétaire.

La manière intuitive d'y penser est de comprendre qu'il existe de multiples changements qui, par essence, s'amplifient les uns les autres. L'amplification en astronomie n'est pas si rare. Cela explique pourquoi la gravité peut rendre des objets massifs si petits, car à mesure que l'objet massif devient plus petit, la gravitation et le poids de l'objet augmentent de façon exponentielle. Dans un sens, l'inverse se produit avec un géant rouge. La gravité à la surface devient suffisamment basse pour que l'étoile entre dans une expansion galopante.

L'expansion de l'étoile tard dans sa vie est exponentielle. C'est pourquoi il peut s'étendre autant.

Si le soleil devait doubler de taille mais sa masse devait rester inchangée. Dans cette hypothèse, la gravité de surface du nouveau Soleil est divisée par 4. Sa vitesse de fuite est divisée par la racine carrée de 2, de sorte que la couche extérieure a beaucoup moins de poids, mais la vitesse de fuite la lie toujours à l'étoile. Toutes choses égales par ailleurs, l'expansion du soleil devrait le faire refroidir, mais en utilisant la règle quadratique moyenne pour la vitesse thermique, si la température est divisée par 2, la vitesse des molécules d'hydrogène et d'hélium est divisée par la racine carrée de 2.

Dans cette théorie, les atomes d'hydrogène à la surface se déplacent légèrement plus lentement, mais avec 1/4 de la gravité, ils sont plus libres et ils peuvent s'éloigner de l'étoile en fonction de leur vitesse thermique.

Si nous continuons à élargir le soleil, il arrive un point où l'hydrogène externe devient incroyablement lâche. À taille géante rouge, disons 1 UA de rayon ou 215 rayons solaires actuels, la gravité est environ 46 000 fois plus faible et l'hydrogène à la surface ne subit qu'une accélération gravitationnelle de 0,006 m / s ^ 2, mais ces mêmes molécules d'hydrogène au géant rouge (environ 3 000 degrés K), se déplacent à environ 5,5 km / s. Ils peuvent s'envoler de la surface sur plus d'un million de kilomètres uniquement en fonction de leur énergie thermique, contre environ 100 kilomètres à la surface du soleil actuellement (sur un peu moins de 8 km / s).

Dans les deux cas, la couche externe d'hydrogène et d'hélium est en équilibre, c'est juste que la gravité et la taille de la géante rouge sont tellement tellement plus basses qu'avec la géante rouge, l'équilibre est ce gaz chaud très lâchement lié et très libéré. Mais ce n'est qu'une partie de la raison.

Réfléchissez à ce qui se passe à mesure que le soleil vieillit.

Source .

Le noyau, où se produit la fusion, est une région relativement petite au centre. La zone radiative et la zone conductrice sont enroulées autour du noyau. qui aident à garder la chaleur de la fusion emprisonnée à l'intérieur du soleil. En conséquence, au fil du temps, l'intérieur du soleil devient plus chaud et à mesure qu'il se réchauffe, le noyau s'agrandit et englobe de plus en plus la zone radiative.

Si nous considérons la zone radiative comme une sorte de couverture qui emprisonne la chaleur à l'intérieur du soleil, à mesure que le noyau grossit et devient plus massif, la zone radiative est à la fois étirée et perd de la masse au noyau, elle devient donc plus mince de deux manières. Si la taille du noyau est doublée, les photons du noyau doivent parcourir 1 / 4e de molécules. Comme le soleil vieillit suffisamment et que la majeure partie de la fusion se produit sur le bord extérieur du noyau, il y a beaucoup moins de couverture pour garder la chaleur emprisonnée. Ce n'est pas tellement que plus d'énergie est créée, c'est que l'énergie a un chemin plus facile vers la région extérieure du soleil. Vous avez donc un effet d'amplification, à mesure que le soleil grandit, la gravité de la surface diminue du carré du rayon et la chaleur interne a moins de matière à traverser pour atteindre les couches externes,

L'effondrement du noyau interne peut également jouer un rôle. Même lorsque le noyau interne manque d'hydrogène pour fusionner et qu'il commence à s'effondrer, le fait de s'effondrer génère une chaleur importante.

Je ne suis pas sûr que ce soit clair, mais c'est ma tentative d'expliquer ce qui se passe intuitivement.