Красные гиганты — что это?

Красный гигант – это звезда, находящаяся на стадии умирания. Она медленно увеличивается во много раз по сравнению с первоначальным размером. Оказавшись на стадии красного гиганта, звезда может оставаться такой до миллиарда лет. Затем звезда будет медленно сжиматься и остывать, превращаясь в белого карлика : сверхплотные звездные трупы размером с Землю, излучающие крошечную долю своей первоначальной энергии. В конце концов, через миллиарды лет эти звезды станут полностью холодными и не будут излучать энергию. Они закончат свою жизнь так называемым черным карликом : крошечным, сгоревшим, практически невидимым мусором.

Чтобы стать красным гигантом, определенная звезда должна иметь массу от половины нашей солнечной до восьмикратной массы нашего Солнца. Астрономы называют такие звезды звездами малой или средней массы . Итак, вы можете видеть, что наше Солнце — одна из звезд, которая когда-нибудь неизбежно станет красным гигантом.

Итак, нашему Солнцу суждено стать звездой красного гиганта (а затем белым карликом, а затем черным карликом). Но какие процессы приведут Солнце к стадии красного гиганта? И что именно произойдет внутри звезды, когда она изменится? Давайте рассмотрим судьбу звезд малой или средней массы, таких как наше Солнце, по мере их эволюции к фазе красного гиганта.

Водород: главное топливо звезды

Звезды излучают энергию, превращая водород в гелий посредством ядерного синтеза . Именно этот процесс заставляет наше Солнце излучать свет, тепло и другие формы энергии в качестве побочного продукта. Но для ядерного синтеза в звездах сначала требуется водород. И у звезд нет бесконечного запаса водорода. Наше Солнце каждую секунду превращает около 600 миллионов тонн водорода в гелий. Если это звучит так, будто запасы вскоре исчерпаются, просто помните, что Солнце — это звезда диаметром почти в миллион миль. И если вам трудно это представить, представьте себе, что вы садитесь на реактивный авиалайнер и отправляетесь в полет, который продлится 226 дней. Именно столько вам понадобится, чтобы облететь нашу местную звезду.

По правде говоря, наше Солнце, как средняя звезда своего типа, родилось с достаточным количеством водорода, чтобы просуществовать около 10 миллиардов лет. По оценкам астрономов, нашей звезде сейчас около 4,5 миллиардов лет. Итак, солнце оставляет позади безмятежные дни своей юности. Наступает средний возраст. И, как и в случае с людьми, пройдет совсем немного времени, прежде чем его процессы начнут меняться и давать сбои.

Горение водорода и основная последовательность

Нынешнюю стадию жизни нашей звезды мы называем фазой горения водорода , поскольку источником ее энергии является синтез атомов водорода. Но «гореть» — это немного неправильное слово. Это ядерный синтез, а не химическое горение. Звезды не горят в привычном понимании этого слова. Тем не менее, астрономы используют термин «горение» для описания типа термоядерного синтеза, происходящего внутри звезды. Следовательно, вы можете услышать о горении углерода или горении гелия . Оба являются стадиями ядерного синтеза, потребляющими различные элементы, когда звезда приближается к концу своей жизни.

Звезды, которые в основном сжигают водород, находятся в так называемой фазе главной последовательности . Будучи звездой главной последовательности, наше Солнце находится в так называемом звездном равновесии . Это означает, что внешнее радиационное давление, возникающее в результате внутренних термоядерных реакций Солнца, точно уравновешивает внутреннее давление собственной гравитации Солнца.

Важно понимать, что когда Солнце находится на главной последовательности, даже потребление сотен миллионов тонн водорода в секунду не приводит к немедленному истощению запасов солнечного водорода. Только 0,7% водорода, потребляемого нашим Солнцем в процессе термоядерного синтеза, в конечном итоге будет излучаться в виде энергии. Остальное используется для преобразования ядер атомов водорода в атомы гелия. Этот крошечный процент энергии дает нам весь свет и тепло, которые мы получаем от Солнца в течение последних 4,5 миллиардов лет!

Звезда начинает умирать

В конце концов, когда ядерное пламя тухнет, звезда начинает сжиматься под действием собственной гравитации. При этом звезда сжимается, ее температура повышается. Так звезда становится ярче.

У стареющей звезды эта фаза сжатия и просветления может длиться несколько миллионов лет. Сжимающееся ядро, которое нагревается по мере сжатия под действием силы тяжести, переносит больше водорода к центру звезды, на место, которое раньше занимало теперь сжавшееся ядро. В конце концов, температуры и давления становится достаточно, чтобы воспламенить эту водородную оболочку вокруг ядра: излучение от горения этой новой водородной оболочки проталкивается наружу через звезду, заставляя ее внешние слои расширяться. Здесь действуют сложные физические процессы, но законы сохранения энергии в сочетании с гравитацией означают, что если ядро ​​звезды сжимается, остальная часть звезды должна расширяться . Звезда начала развиваться в так называемую звезду- субгигант , представляющую собой промежуточную фазу между главной последовательностью и стадией красного гиганта.

Становление красным гигантом

Горение водородной оболочки происходит в результате термоядерных процессов, которые гораздо более интенсивны, чем когда звезда находилась на главной последовательности. В результате звезда становится ярче на скромную величину. Но внешние слои расширяющейся звезды, находящиеся теперь дальше от водородной оболочки вокруг ядра, одновременно охлаждаются, опускаясь с максимальной температуры от 6000 до 30 000 градусов до 5000. Это также означает, что свет звезды становится красным, точно так же, как остывающая кочерга, вынутая из огня, со временем остывает от белого через желтый до красного.

Фаза горения водорода может длиться от нескольких сотен миллионов до миллиарда лет, в зависимости от начальной массы звезды. Для звезд, масса которых составляет от 0,8 до 2 раз больше нашего Солнца, это приводит к появлению субгиганта, диаметр которого в 10 раз превышает диаметр нашего Солнца. Звезды с массой за пределами этого диапазона могут затем пойти разными эволюционными путями, но для такой звезды, как Солнце, следующей фазой будет массовое увеличение размера, огромный рост яркости и дальнейшее охлаждение. Движущая энергия для этого будет исходить от гелиевого ядра, которое сжимается и становится плотнее, пока в конце фазы субгиганта оно не станет достаточно горячим, чтобы сжечь свой гелий. Это вызывает значительное увеличение выходной энергии, что приводит к расширению звезды. В конце концов, возможно, через сотни миллионов лет, звезда станет в сто раз больше диаметра Солнца и будет иметь ярко-красный цвет.

Так родится красный гигант.

Звезда будет находиться в фазе красного гиганта обычно около миллиарда лет. Что произойдет дальше, будет зависеть от массы звезды. Звезды большой массы взорвутся как сверхновые. Звезды с низкой и средней массой, такие как наше Солнце, будут медленно сжиматься и остывать, превращаясь в белых карликов.

В ночном небе

Мы можем посмотреть вверх и увидеть несколько красных гигантов невооруженным глазом. Альдебаран и Антарес — лишь два примера. Но, пожалуй, самой известной является Бетельгейзе в созвездии Ориона. Она известна тем, что недавно попала в заголовки газет, когда внезапно начала тускнеть в течение периода, который длился несколько месяцев в 2019 году. Ее яркость упала более чем на 60%, а это означает, что в ночном небе она стал заметно тусклее.

А что насчет нашего Солнца? В течение следующих нескольких сотен миллионов лет его яркость будет медленно увеличиваться и он начнет излучать больше энергии во всем электромагнитном спектре , приближаясь к субгигантской фазе. Это плохие новости для Земли. Примерно через миллиард лет возрастающее излучение нашей звезды стерилизует нашу планету, уничтожив все живое.

В конце концов, когда наше Солнце завершит превращение из скромной звезды G-типа в красного гиганта, оно расширится и поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, также Землю. И это будет конец нашего мира.

Изучение красных гигантов сложное, поскольку существует множество переменных и исключений. Оно может выбросить неожиданное, как затемнение Бетельгейзе. Но эти гигантские звезды просто переживают естественную фазу жизни, стареют и умирают. К тому времени, когда наше Солнце, например, завершит свою жизнь в виде белого карлика, оно будет жить уже десять миллиардов лет. И, возможно, когда наша звезда раздуется до огромных размеров, ее будут изучать инопланетные цивилизации, смотрящие издалека, как мы изучаем Бетельгейзе и других гигантов в нашем небе. Они даже не догадываются, что когда-то вокруг этой звезды вращалась крошечная синяя точка, жители которой смотрели на звезды и тоже задавались вопросом.