Червоний гігант

План:

1 Спостережувані характеристики червоних гігантів
2 Походження і будова червоних гігантів
- 2.1 "Молоді" і "старі" червоні гіганти
- 2.2 Будова червоних гігантів, нестійкості в їх оболонках і втрата ними маси
3 Ядерні джерела енергії та їх зв'язок з будовою червоних гігантів
4 Завершальні стадії еволюції червоних гігантів
5 Червоні гіганти - змінні зірки

Введення

Червоні гіганти і надгіганти - зірки пізніх ^[1] спектральних класів з високою світністю і протяжними оболонками.

1. Спостережувані характеристики червоних гігантів

До червоних гігантів відносять зірки спектральних класів K і M класів світності III та I відповідно, тобто з абсолютними зоряними величинами $0 ^ m \ ge M_V \ ge -3 ^ m$ у червоних гігантів і M _V <- 3 ^m у червоних надгігантів. Температура випромінюючої поверхні ( фотосфери) червоних гігантів порівняно невелика ( $T_ {ph} \ approx 3000 - 5000K$ ) І, відповідно, потік енергії з одиниці площі випромінюючої невеликий - в 2-10 разів менше, ніж у Сонця. Однак, світність таких зірок може досягати ¹⁰ травня - 10 ⁶ _{L S o l} , Так як червоні гіганти і надгіганти мають дуже великі радіуси. Характерні радіуси червоних гігантів і надгігантів - від 100 до 800 сонячних радіусів.

Спектри червоних гігантів характеризуються наявністю молекулярних смуг поглинання, максимум випромінювання припадає на червону і інфрачервону області спектра.

2. Походження і будова червоних гігантів

2.1. "Молоді" і "старі" червоні гіганти

Зірки в процесі своєї еволюції можуть досягати пізніх спектральних класів і високих светимостей на двох етапах свого розвитку: на стадії зореутворення і пізніх стадіях еволюції. Стадія, на якій молоді зірки спостерігаються як червоні гіганти, залежить від їх маси - цей етап триває від ~ 10 ³ років для масивних зірок з масами ${\ Mathfrak M} \ approx 10 {\ mathfrak M} _ {Sol}$ і до ~ 10 ⁸ років для маломасивні зірок з ${\ Mathfrak M} \ approx 0,5 {\ mathfrak M} _ {Sol}$ . У цей час зірка випромінює за рахунок гравітаційної енергії, що виділяється при стискуванні. У міру стиснення температура поверхні таких зірок зростає, але, внаслідок зменшення розмірів і площі випромінюючої поверхні, падає світність. Зрештою, в їх ядрах починається реакція термоядерного синтезу гелію з водню, і молода зірка виходить на головну послідовність.

На пізніх стадіях еволюції зірок, після вигоряння водню в їх надрах, зірки сходять з головної послідовності і переміщаються в область червоних гігантів і надгігантів діаграми Герцшпрунга - Рассела : цей етап триває ~ 10% від часу "активної" життя зірок, тобто етапів їх еволюції, в ході яких у зоряних надрах йдуть реакції нуклеосинтезу. Зірки головної послідовності з масами ${\ Mathfrak M} \ le 10 {\ mathfrak M} _ {Sol}$ перетворюються спочатку в червоні гіганти, а потім - в червоні надгіганти; зірки з ${\ Mathfrak M}> 10 {\ mathfrak M} _ {Sol}$ - Безпосередньо в червоні надгіганти. Перед тим, як перейти в стадію червоного гіганта, зірка проходить проміжну стадію - стадію субгіганти. Субгіганти - це зірка, в ядрі якої вже припинилися термоядерні реакції за участю водню, але горіння гелію ще не почалося, тому що ядро недостатньо розігріто.

У сучасній астрофізиці термін червоні гіганти відноситься, як правило, до таких проеволюціоніровавшім зіркам, що зійшов з головної послідовності; молоді зірки, не вийшли на головну послідовність, узагальнено називають протозірка або по конкретному типу, наприклад, зірки типу T Тельця.

2.2. Будова червоних гігантів, нестійкості в їх оболонках і втрата ними маси

Протопланетарного туманність HD 44179: асиметричний викид газопилової матерії червоним гігантом.

І "молоді", і "старі" червоні гіганти мають схожі спостережувані характеристики, що пояснюються схожістю їх внутрішньої будови - всі вони мають гаряче щільне ядро і дуже розріджену і протяжну оболонку ( англ. envelope ). Наявність протяжної і щодо холодної оболонки призводить до інтенсивного зоряному вітрі : втрати маси при такому закінчення речовини досягають $10 ^ {-6} -10 ^ {-5} {\ mathfrak M} _ {Sol}$ на рік. Інтенсивному зоряного вітру сприяє кілька факторів:

Висока світність червоних гігантів у поєднанні з величезною протяжністю їх атмосфер (радіуси в ¹⁰ лютого - 10 ³ R _{S o l} ) Призводить до того, що на кордонах їх фотосфери тиск випромінювання на газову і пилову компоненти їх оболонок стає порівнянним з силами тяжіння, що викликає винос речовини.
Іонізація областей оболонок, що лежать нижче фотосфери, робить їх істотно непрозорими для електромагнітного випромінювання, що призводить до конвекційному механізму переносу енергії. Аналогічну природу має сонячна активність, у разі ж червоних гігантів потужність конвективних потоків повинна значно перевершувати сонячну.
У протяжних зоряних оболонках можуть розвиватися нестійкості, що приводять до сильних коливальним процесам, що супроводжується зміною теплового режиму зірки. На Рис. 2 чітко помітні хвилі щільності викинутої зіркою матерії, які можуть бути наслідками таких коливань. Періодичні коливання оболонок у багатьох випадках набувають помітний з величезних відстаней масштаб: багато "старі" червоні гіганти є пульсаційним змінними (див. нижче), змінними є також і деякі "молоді червоні гіганти" типу T Тельця.

Конвективні механізми можуть призводити до виносу в атмосферу зірки продуктів нуклеосинтезу з внутрішніх ядерних джерел, що є причиною спостережуваних аномалій хімічного складу червоних гігантів, зокрема, підвищеного вмісту вуглецю.

3. Ядерні джерела енергії та їх зв'язок з будовою червоних гігантів

В процесі еволюції зірок головної послідовності відбувається "вигоряння" водню - нуклеосинтез з утворенням гелію (див. Протон-протонний цикл, цикл Бете). Таке вигоряння призводить до припинення енерговиділення в центральних частинах зірки, стиснення і, відповідно, до підвищення температури і щільності в її ядрі. Ріст температури й щільності в зоряному ядрі веде до умов, в яких активується нове джерело термоядерної енергії: вигоряння гелію (потрійна гелієва реакція або потрійний альфа-процес), характерний для червоних гігантів і надгігантів.

При температурах порядку 10 ⁸ К кінетична енергія ядер гелію стає досить високою для подолання кулонівського бар'єру: два ядра гелію (альфа-частинки) можуть зливатися з утворенням нестабільного ізотопу берилію Be ^8:

He ⁴ + He ⁴ = Be ⁸

Велика частина Be ⁸ знову розпадається на дві альфа-частинки, але при зіткненні Be ⁸ з високоенергетичної альфа-часткою може утворитися стабільне ядро вуглецю C ^12:

Be ⁸ + He ⁴ = C ¹² + 7,3 МеВ.

Незважаючи на досить низьку рівноважну концентрацію Be ⁸ (наприклад, при температурі ~ 10 ⁸ К відношення концентрацій Be ⁸ / He ⁴ ~ 10 ^-10), швидкість потрійний гелієвої реакції виявляється достатньою для досягнення нового гідростатичної рівноваги в гарячому ядрі зірки. Залежність енерговиділення від температури в потрійний гелієвої реакції надзвичайно висока: так, для діапазону температур $\! T$ ~ 1-2 10 ⁸ К енерговиділення ε _3α :

$\ Varepsilon _ {3 \ alpha} = 10 ^ 8 \ rho ^ 2 Y ^ 3 * \ left ({{T \ over {10 ^ 8}}} \ right) ^ {30}$

де $\! Y$ - Парціальна концентрація гелію в ядрі (в даному випадку "вигорання" водню близька до одиниці).

Початок потрійний гелієвої реакції в вироджених ядрах маломасивні (маса до ~ 2,25 сонячних) червоних гігантів має вибухоподібний характер, що призводить до різкого, але дуже короткочасного (~ 10 ⁴ -10 ⁵ років) зростання їх світності - гелієвої спалаху.

Слід, однак, відзначити, що потрійна гелієва реакція характеризується значно меншим енерговиділенням, ніж цикл Бете : у перерахунку на одиницю маси енерговиділення при "горінні" гелію більш ніж в 10 разів нижче, ніж при "горінні" водню. У міру вигоряння гелію і вичерпання джерела енергії в ядрі можливі й більш складні реакції нуклеосинтезу, проте, по-перше, для таких реакцій потрібні все більш високі температури і, по-друге, енерговиділення на одиницю маси в таких реакціях падає в міру зростання масових чисел ядер, що вступають в реакцію.

Додатковим фактором, очевидно, що впливає на еволюцію ядер червоних гігантів, є поєднання високої температурної чутливості потрійний гелієвої реакції (див. Рис. 3) і реакцій синтезу більш важких ядер, з механізмом нейтринного охолодження : при високих температурах і тиску можливо розсіяння фотонів на електронах з утворенням нейтрино -антинейтрино пар, які вільно забирають енергію з ядра: зірка для них прозора. Швидкість такого об'ємного нейтринного охолодження, на відміну від класичного поверхневого фотонного охолодження, не лімітована процесами передачі енергії з надр зірки до її фотосфері. У результаті реакції нуклеосинтезу в ядрі зірки досягається нова рівновага, що характеризується однаковою температурою ядра: утворюється ізотермічне ядро (Рис. 1).

4. Завершальні стадії еволюції червоних гігантів

Шляхи еволюції червоних гігантів в залежності від їх маси
Маса	Ядерні реакції	Процеси в ході еволюції	Залишок
0,5-2,5	Водневий шарової джерело	Утворюється вироджені гелиевое ядро, оболонка розсіюється	He - білий карлик з масою до 0,5 сонячних
2,5-8	Подвійний шарової джерело	Утворюється вироджені З Про -ядро з масою до 1,2 сонячних, на стадії асимптотичної гілки гігантів відбувається скидання оболонки з утворенням планетарної туманності, що спостерігається ~ 10 ⁴ років У деяких випадках вуглецева детонація ядра, що спостерігається як спалах наднової типу I	З Про - білий карлик масою 0,6-0,7 сонячних, Планетарна туманність Зірка повністю розсіюється при спалаху
8-12	Подвійний шарової джерело, потім "загоряння" вуглецю в надрах	"Горіння" вуглецю зупиняється через виродження O - Ne - Mg ядра, оболонка розсіюється	O - Ne - Mg - білий карлик з масою, близькою до межі Чандрасекара
12-30	Виродження в ядрі не наступає і нуклеосинтез йде аж до утворення елементів залізного піку (Fe, Co, Ni)	Ядро з масою 1,5-2 сонячних колапсує в нейтронну зірку, колапс спостерігається як спалах наднової типу II (при наявності протяжної водневої оболонки) або Ib / с ( колапс ядра зірки Вольфа - Райе), скинута оболонка протягом ~ 10 ⁴ років спостерігається як залишок наднової	Нейтронна зірка
> 30	Процеси неясні	Процеси неясні	Чорна діра з масою до 10 сонячних?

5. Червоні гіганти - змінні зірки

Радіально пульсуючі довгоперіодичні змінні типу Світи - Омікрон Кіта (Long Period Variables M, Omicron Ceti-type) - гіганти спектрального класу М з періодом від 80 до більш 1000 днів і варіаціями блиску від 2.5 ^m до 11 ^m, в спектрах присутні емісійні лінії.
SR - напівправильні пульсуючі змінні гіганти спектрального класу М (типу Z UMa) з періодом від 20 днів до декількох років і варіаціями блиску ~ 3 ^m,
SRc - напівправильні пульсуючі змінні надгіганти спектрального класу М (типу μ Cep).
Lb - неправильні повільні пульсуючі змінні гіганти спектрального класу K, M, C, S (типу CO Cyg)
Lc - неправильні повільні пульсуючі змінні надгіганти спектрального класу M (типу TZ Cas) з варіаціями блиску ~ 1 ^m

Література

Примітки

Часто вживане вираз. Не має прямого відношення до віку, а визначає лише місце в ряду спектральних класів.