Канец сонца
Геліевая ўспышка
Пачатак канца для чырвонага гіганта масы нашага Сонца надыходзіць вельмі раптоўна. Паколькі геліевы "попел" працягвае назапашвацца ў яго цэнтры, больш высокая частка з іх становіцца электронна-выроджанай. Гэта дзіўны парадокс: нават калі знешнія пласты зоркі чырвонага гіганта пашыраюцца ў вялізнае, але разрэджанае воблака, яе ўнутранае ядро сціскаецца ўніз, утвараючы схаваны белы карлік. Тэмпература і ціск у ядры Сонца ўзляцяць у 10 разоў вышэй цяперашніх значэнняў. І прыкладна праз 1,2 мільярда гадоў пасля таго, як ён пакіне галоўную паслядоўнасць, на піку сваёй славы як чырвонага гіганта, цэнтр геліевага ядра Сонца стане дастаткова масіўным, шчыльным і гарачым, што адбудзецца нешта дзіўнае: у матэрыі хвілін, ён загарыцца і згарыць.
Калі тэмпература ў ядры дасягне каля 100 мільёнаў градусаў, гелій пачне злівацца ў вуглярод з дапамогай рэакцыі, вядомай як працэс трайнога альфа, таму што ён ператварае тры ядра гелія ў адзін атам вугляроду. Гэта стварае вялікую колькасць цяпла. Аднак, у адрозненне ад таго часу, калі Сонца было маладым і яго ядро ўтрымлівала звычайную матэрыю, даданне большай колькасці цяпла да электронна-выроджанага гелію не прыводзіць да яго пашырэння і астуджэння. Як я адзначыў, калі абмяркоўваў квантавую механіку , пры награванні электронна-выроджаная матэрыя паводзіць сябе хутчэй як вадкасць, чым як газ: яе тэмпература хутка павышаецца, але яна не пашыраецца. Іншымі словамі, самарэгулявальны механізм, які падтрымлівае зоркі галоўнай паслядоўнасці настолькі стабільнымі (гідрастатычная раўнавага), адключаны ў электронна-выроджанай матэрыі. Калі вы дадасце цяпла беламу карліку, ён стане яшчэ больш гарачым.
Як гэта здарылася, працэс патройнага альфа выключна моцна залежыць ад тэмпературы: падваенне тэмпературы рэакцыі прымушае яе праходзіць прыкладна ў трыльён разоў хутчэй! Такім чынам, калі гелій, які зліваецца, награвае ядро, якое не можа пашырыцца, каб астыць, павышэнне тэмпературы прыводзіць да таго, што тэрмаплаўленне гелія раптам пачнецца ў мільёны разоў хутчэй, што вельмі хутка награвае ядро яшчэ больш, што, у сваю чаргу, прымушае гелій злівацца , нашмат хутчэй. . .
Карацей кажучы, цэнтр геліевага ядра выбухае. Прыкладна 6% электронна-выроджанага геліевага ядра, які цяпер важыць каля 40% сонечнай масы, ператвараецца ў вуглярод на працягу некалькіх хвілін. (Гэта адпавядае спальванню прыкладна дзесяці мас Зямлі гелія ў секунду, калі вы вядзеце лік.) Па зразумелых прычынах астраномы называюць гэта ўспышкай гелія. Прыкладна за час, неабходны для падсмажвання абаранка, успышка вызваляе столькі энергіі, колькі наша цяперашняе Сонца выпрацоўвае за 200 мільёнаў гадоў. На вышыні ўспышкі ядро Сонца вельмі ненадоўга зраўняецца з агульнай свяцільнасцю ўсіх зорак у галактыцы Млечны Шлях! Можна было б уявіць, што пажар такога маштабу акажа драматычны ўплыў на чырвоны гігант - і гэта, у пэўным сэнсе, так і адбываецца, але не так раптоўна або моцна, як можна падумаць.
Гэта таму, што мы схільныя недаацэньваць сілу цяжару. У параўнанні з палохаючай сілай ядзернай зброі, энергія, якая выпрацоўваецца пры падзенні некалькіх камянёў, здаецца не вельмі ўражлівай. Але на самой справе гравітацыйная энергія надзвычай шчыльных, надзвычай вялікіх мас ашаламляе - гэта толькі нашы чалавечыя забабоны, якія вынікаюць з таго факту, што мы жывем на мізэрным каменьчыку, які не з'яўляецца ні масіўным, ні шчыльным, што прымушае нас думаць інакш.
Выкажам здагадку, што мы возьмем Зямлю ў якасці прыкладу вялікага, шчыльнага аб'екта, нават калі ён такі ж шчыльны, як цукровая вата, у параўнанні з белым карлікам. Для таго, каб надзьмуць Зямлю ў два разы больш, гэта значыць падняць масу Зямлі супраць яе ўласнай гравітацыі, пакуль яе радыус не павялічыцца ўдвая, спатрэбіцца ўся сонечная энергія, якая трапляе на паверхню Зямлі (усяго 185 000 000 000 мегават) наступныя 13 мільёнаў гадоў!
Падчас геліевай ўспышкі выраджанае ядро зоркі награваецца настолькі інтэнсіўна, што яно ўрэшце «выпараецца», так бы мовіць. Гэта значыць, асобныя ядра пачынаюць рухацца так хутка, што могуць «выкіпець» і пазбегнуць яго. Ядро зноў ператвараецца ў (неверагодна шчыльны) звычайны газ і моцна пашыраецца. Велізарная гравітацыйная энергія, неабходная для пашырэння 100 000 мас Зямлі з выраджэння і ў некалькі разоў большага іх першапачатковага аб'ёму, роўная энергавыдзяленню геліевай успышкі. Іншымі словамі, амаль уся энергія ўспышкі паглынаецца тытанічным узняццем цяжару, неабходным для выхаду ядра са стану белага карліка. Па сутнасці, ніякая энергія не дасягае паверхні чырвонага гіганта, і сапраўды, калі б вы назіралі за чырвоным гігантам няўзброеным вокам, калі яго геліевае ядро ўспыхвала, сумнеўна, што вы наогул што-небудзь заўважылі.
Такім чынам, па чалавечых мерках, назіранне за геліевай успышкай - гэта расчараванне. Па галактычных стандартах, аднак, чырвонаму гіганту стрэлам было прабіта сэрца. Раптоўнае пашырэнне ядра прыводзіць да такога моцнага астуджэння, што гэта падобна на пачатак ледніковага перыяду. Астуджэнне неадкладна прыводзіць да значна меншага ціску ў абалонцы, якая спальвае вадарод, якая акружае ядро, і, такім чынам, да катастрафічнага падзення выхаду энергіі. На часовай шкале, якая з'яўляецца амаль імгненнай у параўнанні са звычайнай шкалой часу, па якой ідуць зоркі (магчыма, усяго 10 000 гадоў), дыяметр і свяцільнасць чырвонага гіганта рэзка падаюць менш чым на 2% ад ранейшых значэнняў. Для зорак з масай нашага Сонца вынікам геліевай успышкі з'яўляецца калапс у аранжава-жоўтую зорку з дыяметрам, які ў дзесяць разоў перавышае бягучы дыяметр Сонца, і свяцільнасцю ў 40 разоў. Гэта даволі спад.
Канец Сонца
Апошнія каля 140 мільёнаў гадоў жыцця Сонца будуць вельмі складанымі. Пасля свайго калапсу, як паказана на малюнку 1 , Сонца адновіцца як зорка з падвойнай крыніцай энергіі: яно будзе мець шчыльнае (але не электронна-выроджанае) вугляродна-кіслароднае ядро, акружанае абалонкай, дзе гелій згарае ў вуглярод , а па-за гэтым ён будзе мець іншую абалонку, дзе вадарод згарае ў гелій. (Кісларод у ядры ствараецца павольным сінтэзам паміж вугляродам і геліем на паверхні ядра. У больш цяжкіх зорках кісларод, у сваю чаргу, можа злівацца з геліем, утвараючы неон.) Тэрмаядзерны сінтэз гелія вырабляе толькі 9% энергіі на кілаграм, чым сінтэз вадароду. , таму з пункту гледжання энергіі Сонца па-ранейшаму застаецца ў асноўным вадародным рэактарам. 90% яго свяцільнасці па-ранейшаму паходзіць ад спальвання вадароду.
Аднак менавіта гелій, які атачае ядро, цяпер вызначае, як будзе развівацца Сонца. Сонца больш-менш паўтарае тое, што рабіла ў якасці старэючай зоркі галоўнай паслядоўнасці, за выключэннем таго, што цяпер у ядры вугляродна-геліевая сумесь, а не гелій-вадародная сумесь. На некаторы час яна дасягае адноснай стабільнасці і падтрымлівае гідрастатычную раўнавагу ў сваім новым увасабленні ў выглядзе аранжава-жоўтай "субгігантнай" зоркі. Такім чынам, часам кажуць, што зоркі на гэтай фазе свайго існавання знаходзяцца на «геліевай галоўнай паслядоўнасці». З мімалётнай перспектывы чалавечага жыцця субгіганцкія зоркі здаюцца досыць спакойнымі: добра вядомая яркая зорка Арктур, святло якой было выкарыстана для адкрыцця Сусветнай выставы ў Чыкага ў 1933 годзе, з'яўляецца такой зоркай. З моманту вынаходніцтва тэлескопа яна не змянілася ніякім вымерным чынам.
Але высокія тэмпературы, неабходныя для падтрымання гарэння гелія, азначаюць, што Сонца можа спальваць гелій толькі адным спосабам: вельмі хутка. Гарачае ядро дыктуе таксама хуткае спальванне вадароду. Калі яно знаходзілася ў звычайнай галоўнай паслядоўнасці, свяцільнасць Сонца трымалася даволі блізка да 1,0 L o на працягу прыкладна дзевяці мільярдаў гадоў, перш чым пасвятлець прыкладна да 2,7 L o ў канцы. На геліевай галоўнай паслядоўнасці свяцільнасць Сонца будзе трымацца на ўзроўні каля 45 L o , перш чым пасвятлець прыкладна да 110 L o ў канцы. Не такі ўражлівы, як чырвоны гігант, але, тым не менш, вельмі яркі.
Каб падтрымліваць свой гіганцкі лад жыцця, Сонца павінна раздзіраць паліва ў сваім геліевым ядры ў 100 разоў хутчэй, чым гэта было з першапачатковым вадародным ядром. Толькі праз сто мільёнаў гадоў на геліевай галоўнай паслядоўнасці Сонца зноў пачне падымацца да царства чырвоных гігантаў па тых жа прычынах, што і раней. Але не існуе "вугляроднай успышкі", эквіваленту геліевай успышкі, якая спыніла Сонца ў першы раз. Тэмпература і ціск, неабходныя для распальвання вуглярод-вугляроднага сінтэзу, занадта вялікія для Сонца, незалежна ад таго, наколькі сціснута яго ядро, таму вуглярод проста назапашваецца і становіцца ўсё больш шчыльным. Тэндэнцыя, якую Сонца прадэманстравала падчас свайго першага прабегу як чырвонага гіганта, калі яго ядро было раздушана да шчыльнасці белага карліка, нават калі вонкавыя пласты ўзвышаліся да дзясяткаў мільёнаў кіламетраў у дыяметры, зараз немагчыма спыніць. Сонца зноў становіцца чырвоным гігантам, на гэты раз з пікам свяцільнасці вышэй за 3000 L o . Яго вонкавыя пласты дзьмуць усё далей і далей вонкі, за межы арбіты Юпітэра, нават калі яго электронна-выроджанае ядро імкліва становіцца больш масіўным і, такім чынам, меншым і больш шчыльным.
І ў рэшце рэшт надыходзіць дзень, калі двое разлучаюцца. Апошнія дні зоркі надзвычай складаныя, таму што абалонкі, якія спальваюць гелій і вадарод, не гараць з аднолькавай хуткасцю. Больш гарачая геліевая абалонка, якая гарыць хутчэй, імкнецца імчыцца вонкі і абганяць абалонку, якая гарыць вадарод, і калі гэта адбываецца, гелію больш не застаецца для гарэння, таму геліевая абалонка выдыхае. Але гіганцкая зорка хутка назапашвае больш гелію, які затым збіраецца на ядры белага карліка, пакуль раптам не ўспыхне ў геліевым запальванні, якое з'яўляецца чымсьці накшталт дзіцячай версіі ўспышкі геліевага ядра. Геліевая ўспышка парушае (выключае) спальванне вадароду на кароткі час, і так яно і адбываецца. У самым канцы Сонца літаральна закашляецца да смерці, калі яго атмасферу разарвуць шматразовыя ўзгарання паліва і заглушаныя тэрмаядзерныя згасанні.
За чатыры-пяць велізарных выбухаў з інтэрвалам прыкладна ў 100 000 гадоў знешнія пласты Сонца аддзяляцца ад ядра і будуць цалкам знесены. Яны ўтвораць велізарную, якая пашыраецца абалонку вакол Сонечнай сістэмы і будуць рухацца вонкі, каб зноў злучыцца з міжзоркавым газам. Прыкладна 45% масы Сонца ўцячэ такім чынам. Астатнія 55% масы Сонца неўзабаве сціскаюцца ў распаленае да белага звышшчыльнае ядро. Для таго, хто назірае за Сонцам здалёк, здаецца, што Сонца хутка змяняе колеры з чырвонага на белы, калі газавая заслона, якая яго акружае, падымаецца. (Канечне, пад «хутка» я маю на ўвазе прамежак часу, які ўсяго ў некалькі разоў перавышае ўзрост пірамід.)
Адкрытая паверхня пякучага сонечнага ядра будзе настолькі гарачай, па меншай меры 170 000 K°, што будзе выпраменьваць больш рэнтгенаўскіх прамянёў, чым бачнага святла. (Зоркі пасля чырвонага гіганта з'яўляюцца самымі гарачымі зоркамі з вядомых, за выключэннем нейтронных зорак.) Яе свяцільнасць складзе бліскучыя 4000 L o . Сонца стане крыніцай выпраменьвання сапраўды галактычнага памеру, яго энергія асвятляе газ вакол яго, як велізарная неонавая шыльда. Такія воблакі называюцца планетарнымі туманнасцямі , назва ўводзіць у зман, таму што астраномы 18-га стагоддзя ледзь маглі бачыць іх у тэлескопы таго часу і думалі, што яны падобныя на планеты. Яны з'яўляюцца аднымі з самых прыгожых славутасцяў ў астраноміі. Фатаграфія справа туманнасці, вядомай як NGC 6751, адна з маіх любімых. Яркая пляма ў цэнтры - гэта зорка-бацька пасля чырвонага гіганта.
Характэрна, што зорка знаходзіцца прама ў месцы здзімання знешніх слаёў, якія можна ўбачыць няўзброеным вокам. Гэта Міра, "Дзіўная", названая так арабскімі астраномамі ў Сярэднявеччы, таму што Міра даволі бязладна змяняецца на працягу прыблізна 330 дзён ад самай яркай зоркі ў сваім сузор'і (Кіт, Кіт) да поўнай нябачнасці. Міра - адзіная зорка з класічнай назвай, якую вы не бачыце большую частку часу. Сучасныя прыборы паказваюць, што Міра ўяўляе сабой надзвычай пашыраны мяшок цёмна-чырвонага газу, які нават не мае блізкай сферычнай формы і які пры тэмпературы 2000 К° таксама з'яўляецца адной з самых халодных вядомых зорак. Яе атмасфера перажывае складаныя хвалі і ваганні, калі ядзерная гарыць пад ёй пырскае і задыхаецца. Адсюль і яго зменлівасць. Праз мізэрныя 500 000 гадоў ці менш Міра стане планетарнай туманнасцю.
Што да Сонца, то без вонкавых слаёў, якія забяспечваюць яго больш вадародам, яно можа падтрымліваць шыкоўны выгляд сваёй туманнасці толькі на працягу некалькіх тысяч гадоў, наўрад ці больш, чым пстрычка пальцаў па галактычных мерках. Апошнія рэшткі паліва ў шчыльным ядры канчаткова выгараць, і ўпершыню за больш чым дванаццаць мільярдаў гадоў Сонца перастане вырабляць энергію. Туманнасць рассеецца і згасне. Сонца стала белым карлікам, крыху большым за
Зямлю, але ў 200 000 разоў масіўнейшым, і на працягу мільярдаў гадоў усё, што яно будзе рабіць, гэта павольна астываць.
З-за іх велізарнай шчыльнасці час, неабходны белым карлікам, каб астыць, настолькі вялікі, што нават самыя старажытныя з вядомых (амаль 12 мільярдаў гадоў) не паспелі астыць значна ніжэй за 5000 К°. Гэтых вельмі старых "белых карлікаў", магчыма, больш дакладна можна было б назваць "жаўтавата-белымі" карлікамі, але ў любым выпадку ў Млечным Шляху няма "чорных карлікаў". Усе каля дзесяці мільярдаў белых карлікавых зорак, створаных нашай галактыкай пасля Вялікага выбуху, усё яшчэ ззяюць, хоць і цьмяна.
