Красный гигант
Красный гигант — светящаяся гигантская звезда малой или средней массы (примерно 0,3–8 масс Солнца ( M ☉ )) на поздней фазе звездной эволюции . Внешняя атмосфера раздута и разрежена, что делает радиус большим, а температуру поверхности около 5000 К (4700 ° C; 8500 ° F) или ниже. Внешний вид красного гиганта от желто-белого до красновато-оранжевого, включая спектральные классы К и М, иногда G, а также звезды класса S и большинство углеродных звезд .
Красные гиганты различаются по способу выработки энергии:
- Наиболее распространенными красными гигантами являются звезды ветви красных гигантов (RGB), которые все еще превращают водород в гелий в оболочке, окружающей инертное гелиевое ядро.
- звезды красного сгустка в прохладной половине горизонтальной ветви , синтезирующие гелий в углерод в своих ядрах посредством процесса тройного альфа
- Звезды асимптотической ветви гигантов (AGB) с оболочкой, горящей гелием, за пределами вырожденного углеродно-кислородного ядра и оболочкой, горящей водородом, сразу за ней.
Многие из хорошо известных ярких звезд являются красными гигантами, поскольку они ярки и довольно распространены. Звезда K0 RGB Арктур находится на расстоянии 36 световых лет от нас, а Гамма Круцис — ближайший гигант М-класса на расстоянии 88 световых лет.
Красный гигант обычно образует планетарную туманность и становится белым карликом в конце своей жизни .
Характеристики [ править ]
Красный гигант — это звезда, исчерпавшая запасы водорода в своем ядре и начавшая термоядерный синтез водорода в оболочке, окружающей ядро. Их радиусы в десятки и сотни раз больше, чем у Солнца . Однако их внешняя оболочка имеет более низкую температуру, что придает им желтовато-оранжевый оттенок. Несмотря на меньшую плотность энергии оболочки, красные гиганты во много раз ярче Солнца из-за своих огромных размеров. Звезды ветви красных гигантов имеют светимость почти в три тысячи раз превышающую солнечную ( L ☉ ), спектральные классы K или M, температуру поверхности 3000–4000 К и радиусы примерно в 200 раз превышающие солнечный ( R ☉ ). Звезды на горизонтальной ветви более горячие, их светимость лишь в небольшом диапазоне около 75 L ☉ . Звезды асимптотической ветви гигантов варьируются от той же светимости, что и более яркие звезды ветви красных гигантов, до несколько раз большей яркости в конце фазы тепловых пульсаций.
К звездам асимптотической ветви гигантов относятся углеродные звезды типа CN и поздних CR, образующиеся при конвекции углерода и других элементов на поверхность в ходе так называемого драг-ап . [1] Первое вытягивание происходит во время горения водородной оболочки на ветви красных гигантов, но не приводит к образованию большого количества углерода на поверхности. Второй, а иногда и третий подъем происходит при горении гелиевой оболочки на ветви асимптотических гигантов и конвектирует углерод на поверхность в достаточно массивных звездах.
Звездный лимб красного гиганта не имеет четкого очертания, в отличие от его изображения на многих иллюстрациях. Скорее, из-за очень низкой плотности массы оболочки у таких звезд отсутствует четко выраженная фотосфера , и тело звезды постепенно переходит в « корону ». [2] Самые холодные красные гиганты имеют сложные спектры с молекулярными линиями, эмиссионными особенностями и иногда мазерами, особенно от термически пульсирующих звезд AGB. [3] Наблюдения также предоставили доказательства наличия горячей хромосферы над фотосферой красных гигантов. [4] [5] [6] где исследование механизмов нагревания хромосфер требует трехмерного моделирования красных гигантов. [7]
Еще одна примечательная особенность красных гигантов состоит в том, что в отличие от звезд типа Солнца, фотосферы которых имеют большое количество мелких конвекционных ячеек ( солнечных гранул ), фотосферы красных гигантов, как и фотосферы красных сверхгигантов , имеют всего несколько крупных ячеек, особенности которых обусловливают изменения блеска . столь общие для обоих типов звезд [8]
Эволюция [ править ]
Красные гиганты произошли от звезд главной последовательности с массами в диапазоне от примерно 0,3 M ☉ до примерно 8 M ☉ . [9] Когда звезда первоначально формируется из коллапсирующего молекулярного облака в межзвездной среде , она содержит в основном водород и гелий, а также следовые количества « металлов » (в звездной структуре это просто относится к любому элементу, который не является водородом или гелием, т.е. с атомным номером больше чем 2). Все эти элементы равномерно перемешаны по всей звезде. Звезда достигает главной последовательности, когда температура ядра достигает достаточно высокой температуры, чтобы начать синтез водорода (несколько миллионов Кельвинов), и устанавливается гидростатическое равновесие . В течение своей жизни на главной последовательности звезда медленно превращает водород в ядре в гелий; его жизнь в главной последовательности заканчивается, когда почти весь водород в ядре расплавляется. Для Солнца время жизни главной последовательности составляет примерно 10 миллиардов лет. Более массивные звезды сгорают непропорционально быстрее и поэтому имеют более короткий срок жизни, чем менее массивные звезды. [10]
Когда звезда исчерпывает водородное топливо в своем ядре, ядерные реакции больше не могут продолжаться в ядре, и поэтому ядро начинает сжиматься из-за уменьшающейся силы термоядерного синтеза, которая раньше противодействовала гравитации, что приводит к нагреванию ядра. . Повышенная температура ядра приводит к сгоранию водорода в оболочке вокруг ядра и расширению звезды. [11] Оболочка, горящая водородом, приводит к ситуации, которая была описана как принцип зеркала ; когда ядро внутри оболочки сжимается, слои звезды вне оболочки должны расширяться. Детальные физические процессы, вызывающие это, сложны. Тем не менее, такое поведение необходимо для обеспечения одновременного сохранения гравитационной и тепловой энергии в звезде с оболочечной структурой. Ядро сжимается и нагревается из-за отсутствия термоядерного синтеза, поэтому внешние слои звезды сильно расширяются, поглощая большую часть дополнительной энергии от термоядерного синтеза. Этот процесс охлаждения и расширения и есть звезда -субгигант . Когда оболочка звезды достаточно остывает, она становится конвективной, звезда перестает расширяться, ее светимость начинает увеличиваться, и звезда поднимается на ветвь красных гигантов диаграммы Герцшпрунга-Рассела (H-R) . [10] [12]
Эволюционный путь, который проходит звезда при движении по ветви красных гигантов, зависит от массы звезды. Для Солнца и звезд размером менее 2 M ☉ [13] ядро станет достаточно плотным, чтобы давление электронного вырождения предотвратило его дальнейшее разрушение. Как только ядро выродится , оно будет продолжать нагреваться, пока не достигнет температуры примерно 10°С. 8 K, достаточно горячий, чтобы начать синтез гелия с углеродом посредством процесса тройного альфа . Как только вырожденное ядро достигнет этой температуры, почти одновременно во всем ядре начнется синтез гелия в так называемой гелиевой вспышке . У более массивных звезд коллапсирующее ядро достигнет 10 8 K до того, как он станет достаточно плотным, чтобы начать вырождаться, поэтому синтез гелия начнется гораздо более плавно и не приведет к вспышке гелия. [10] Фаза плавления гелия в ядре жизни звезды называется горизонтальной ветвью у звезд с низким содержанием металлов, потому что эти звезды лежат на почти горизонтальной линии на диаграмме H – R многих звездных скоплений. Звезды, богатые металлами и гелием, вместо этого лежат в так называемом красном скоплении на диаграмме H – R. [14]
Аналогичный процесс происходит, когда центральный гелий исчерпывается и звезда снова коллапсирует, в результате чего гелий в оболочке начинает плавиться. В то же время водород может начать синтез в оболочке сразу за горящей оболочкой гелия. Это помещает звезду на асимптотическую ветвь гигантов , вторую фазу красных гигантов. [15] В результате синтеза гелия образуется углеродно-кислородное ядро. Звезда с массой ниже 8 M ☉ никогда не начнет термоядерный синтез в своем вырожденном углеродно-кислородном ядре. [13] Вместо этого в конце фазы асимптотической ветви гигантов звезда выбросит свои внешние слои, образуя планетарную туманность с обнаженным ядром звезды и в конечном итоге превратившись в белого карлика . Выброс внешней массы и создание планетарной туманности окончательно завершает фазу красных гигантов в эволюции звезды. [10] Фаза красного гиганта обычно длится всего около миллиарда лет для звезды солнечной массы, почти все из которых тратится на ветвь красных гигантов. Фазы горизонтальной ветви и асимптотической гигантской ветви протекают в десятки раз быстрее.
Если звезда имеет от 0,2 до 0,5 M ☉ , [13] он достаточно массивен, чтобы стать красным гигантом, но не имеет достаточной массы, чтобы начать синтез гелия. [9] Эти «промежуточные» звезды несколько охлаждаются и увеличивают свою светимость, но никогда не достигают вершины ветви красных гигантов и вспышки гелиевого ядра. Когда восхождение ветви красных гигантов заканчивается, они сбрасывают свои внешние слои, подобно звездам постасимптотической ветви гигантов, а затем становятся белыми карликами.
не ставшие гигантами красными Звезды ,
Звезды очень малой массы полностью конвективны. [16] [17] и может продолжать синтезировать водород в гелий в течение триллиона лет. [18] пока лишь небольшая часть всей звезды не будет состоять из водорода. Светимость и температура в это время неуклонно растут, как и у более массивных звезд главной последовательности, но длительность этого периода означает, что температура в конечном итоге увеличивается примерно на 50%, а светимость примерно в 10 раз. В конце концов уровень гелия возрастает до такой степени, что звезда перестает быть полностью конвективной, а оставшийся водород, запертый в ядре, потребляется всего за несколько миллиардов лет. В зависимости от массы, температура и светимость продолжают некоторое время увеличиваться во время горения водородной оболочки, звезда может стать горячее Солнца и в десятки раз ярче, чем когда она сформировалась, хотя все еще не так ярко, как Солнце. Спустя еще несколько миллиардов лет они начинают становиться менее яркими и холодными, хотя горение водородной оболочки продолжается. Они становятся холодными гелиевыми белыми карликами. [9]
Звезды с очень большой массой развиваются в сверхгиганты , которые следуют по эволюционному пути , который перемещает их взад и вперед по горизонтали по диаграмме H – R, причем на правом конце находятся красные сверхгиганты . типа II Обычно они заканчивают свою жизнь как сверхновая . Самые массивные звезды могут стать звездами Вольфа – Райе, вообще не становясь гигантами или сверхгигантами. [19] [20]
Планеты [ править ]
Этот раздел необходимо обновить . Причина: возможно, устарела. ( апрель 2015 г. ) |
Перспективы обитаемости [ править ]
Хотя традиционно предполагалось, что эволюция звезды в красный гигант сделает ее планетную систему , если она существует, непригодной для жизни, некоторые исследования показывают, что во время эволюции звезды с массой 1 M ☉ вдоль ветви красных гигантов она могла содержать на обитаемая зона срок от нескольких миллиардов лет на расстоянии 2 астрономических единиц (а.е.) до примерно 100 миллионов лет на расстоянии 9 а.е., что, возможно, дает достаточно времени для развития жизни в подходящем мире. После стадии красного гиганта у такой звезды будет обитаемая зона между 7 и 22 а.е. еще на один миллиард лет. [21] Более поздние исследования уточнили этот сценарий, показав, что для звезды размером 1 M ☉ обитаемая зона длится от 100 миллионов лет для планеты с орбитой, аналогичной орбите Марса , до 210 миллионов лет для планеты, вращающейся на расстоянии Сатурна от Солнца. , максимальное время (370 миллионов лет), соответствующее планетам, вращающимся на расстоянии от Юпитера . Однако планеты, вращающиеся вокруг звезды размером 0,5 M ☉ по орбитам, эквивалентным орбитам Юпитера и Сатурна, будут находиться в обитаемой зоне в течение 5,8 миллиардов лет и 2,1 миллиарда лет соответственно; для звезд более массивных, чем Солнце, время значительно короче. [22]
Увеличение планет [ править ]
По состоянию на 2023 год вокруг звезд-гигантов было обнаружено несколько сотен планет-гигантов. [23] Однако эти планеты-гиганты более массивны, чем планеты-гиганты, обнаруженные вокруг звезд солнечного типа. Это может быть связано с тем, что звезды-гиганты более массивны, чем Солнце (менее массивные звезды все еще будут на главной последовательности и еще не станут гигантами), а более массивные звезды, как ожидается, будут иметь более массивные планеты. Однако массы планет, обнаруженных вокруг звезд-гигантов, не коррелируют с массами звезд; следовательно, масса планет могла расти во время фазы красных гигантов звезд. Рост массы планеты может быть частично обусловлен аккрецией от звездного ветра, хотя гораздо более серьезным эффектом будет переполнение полости Роша , вызывающее перенос массы от звезды к планете, когда гигант расширяется до орбитального расстояния планеты. [24]
Примеры [ править ]
Многие из известных ярких звезд являются красными гигантами, поскольку они ярки и умеренно распространены. Переменная звезда ветви красного гиганта Гамма Круцис — ближайшая гигантская звезда М-класса, расположенная на расстоянии 88 световых лет. [25] Звезда ветви красного гиганта K1.5 Арктур находится на расстоянии 36 световых лет от нас. [26]
Ветка красного гиганта [ править ]
- Альдебаран (α Тельца)
- Арктур (α Боотиса)
- Гакрукс (γ Crucis)
Гиганты с красными сгустками [ править ]
- Часовня Аа (α Возничего)
- Шедар (α Кас)
- δ Андромеды [27]
ветвь Асимптотическая гигантская
- Мира (о Кита)
- χ Лебеди
- α Геркулес
Солнце как красный гигант [ править ]
Примерно через 5 миллиардов лет Солнце выйдет из главной последовательности и начнет превращаться в красного гиганта. [28] [29] Будучи красным гигантом, Солнце вырастет настолько большим (более чем в 200 раз превышает его современный радиус) (1 а.е.), что поглотит Меркурий , Венеру и, возможно, Землю. Он потеряет 38% своей массы, а затем превратится в белого карлика . [30]
Ссылки [ править ]
- ^ Бутройд, AI; Сакманн, И.-Й. (1999). «Изотопы CNO: глубокая циркуляция в красных гигантах и первое и второе выемывание». Астрофизический журнал . 510 (1): 232–250. arXiv : astro-ph/9512121 . Бибкод : 1999ApJ...510..232B . дои : 10.1086/306546 . S2CID 561413 .
- ^ Сузуки, Такеру К. (2007). «Структурированные красные гигантские ветры с намагниченными горячими пузырьками и разделительной линией короны и холодного ветра». Астрофизический журнал . 659 (2): 1592–1610. arXiv : astro-ph/0608195 . Бибкод : 2007ApJ...659.1592S . дои : 10.1086/512600 . S2CID 13957448 .
- ^ Хабинг, Харм Дж.; Олофссон, Ганс (2003). «Асимптотические звезды ветви гигантов». Асимптотические звезды ветви гигантов . Бибкод : 2003agbs.conf.....H .
- ^ Дойч, Эй Джей (1970). «Хромосферная активность красных гигантов и связанные с ней явления». Ультрафиолетовые звездные спектры и связанные с ними наземные наблюдения . Том. 36. стр. 199–208. Бибкод : 1970IAUS...36..199D . дои : 10.1007/978-94-010-3293-3_33 . ISBN 978-94-010-3295-7 .
- ^ Влеммингс, Воутер; Хури, Тео; О'Горман, Имон; Де Бек, Эльвир; Хамфрис, Элизабет; Ланхаар, Бой; Меркер, Матиас; Олофссон, Ганс; Рамштедт, София; Тафойя, Дэниел; Такигава, Аки (декабрь 2017 г.). «Ударно-нагретая атмосфера асимптотической звезды ветви гиганта, разрешенная ALMA». Природная астрономия . 1 (12): 848–853. arXiv : 1711.01153 . Бибкод : 2017НатАс...1..848В . дои : 10.1038/s41550-017-0288-9 . ISSN 2397-3366 . S2CID 119393687 .
- ^ О'Горман, Э.; Харпер, генеральный директор; Онака, К.; Фини-Йоханссон, А.; Вилкенейт-Браун, К.; Браун, А.; Гинан, EF; Лим, Дж.; Ричардс, AMS; Райд, Н.; Влеммингс, WHT (июнь 2020 г.). «ALMA и VLA обнаруживают теплые хромосферы близлежащих красных сверхгигантов Антареса и Бетельгейзе». Астрономия и астрофизика . 638 : А65. arXiv : 2006.08023 . Бибкод : 2020A&A...638A..65O . дои : 10.1051/0004-6361/202037756 . ISSN 0004-6361 . S2CID 219484950 .
- ^ Ведемейер, Свен; Кучинскас, Арунас; Клевас, Йонас; Людвиг, Ханс-Гюнтер (1 октября 2017 г.). «Трехмерная гидродинамическая CO5BOLD модель атмосфер звезд красных гигантов - VI. Первая модель хромосферы гиганта позднего типа». Астрономия и астрофизика . 606 : А26. arXiv : 1705.09641 . Бибкод : 2017A&A...606A..26W . дои : 10.1051/0004-6361/201730405 . ISSN 0004-6361 . S2CID 119510487 .
- ^ Шварцшильд, Мартин (1975). «О масштабах фотосферной конвекции у красных гигантов и сверхгигантов» . Астрофизический журнал . 195 : 137–144. Бибкод : 1975ApJ...195..137S . дои : 10.1086/153313 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Лафлин, Г.; Боденхаймер, П.; Адамс, ФК (1997). «Конец основной последовательности» . Астрофизический журнал . 482 (1): 420–432. Бибкод : 1997ApJ...482..420L . дои : 10.1086/304125 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Зейлик, Майкл А.; Грегори, Стефан А. (1998). Вводная астрономия и астрофизика (4-е изд.). Издательство Колледжа Сондерса. стр. 321–322. ISBN 0-03-006228-4 .
- ^ «Звезды» . Управление научной миссии . 16 марта 2012 года . Проверено 29 августа 2023 г.
- ^ Тьяго Л. Кампанте; Нуно К. Сантос; Марио JPFG Монтейро (3 ноября 2017 г.). Астеросейсмология и экзопланеты: слушая звезды и поиск новых миров: IV Азорская международная школа повышения квалификации в области космических наук . Спрингер. стр. 99–. ISBN 978-3-319-59315-9 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Фаготто, Ф.; Брессан, А.; Бертелли, Г.; Чиози, К. (1994). «Эволюционные последовательности звездных моделей с новой радиационной непрозрачностью. IV. Z=0,004 и Z=0,008». Серия дополнений по астрономии и астрофизике . 105 : 29. Бибкод : 1994A&AS..105...29F .
- ^ Алвес, Дэвид Р.; Сараджедини, Ата (1999). «Зависимая от возраста светимость выступа красной гигантской ветви, асимптотического выступа гигантской ветви и красного скопления горизонтальной ветви». Астрофизический журнал . 511 (1): 225–234. arXiv : astro-ph/9808253 . Бибкод : 1999ApJ...511..225A . дои : 10.1086/306655 . S2CID 18834541 .
- ^ Сакманн, И.-Дж.; Бутройд, AI; Кремер, К.Э. (1993). «Наше Солнце. III. Настоящее и будущее» . Астрофизический журнал . 418 : 457. Бибкод : 1993ApJ...418..457S . дои : 10.1086/173407 .
- ^ Райнерс, Ансгар; Басри, Гибор (2009). «О магнитной топологии частично и полностью конвективных звезд». Астрономия и астрофизика . 496 (3): 787. arXiv : 0901.1659 . Бибкод : 2009A&A...496..787R . дои : 10.1051/0004-6361:200811450 . S2CID 15159121 .
- ^ Брейнерд, Джером Джеймс (16 февраля 2005 г.). «Звезды главной последовательности» . Звезды . Зритель астрофизики . Проверено 29 декабря 2006 г.
- ^ Ричмонд, Майкл. «Поздние стадии эволюции звезд малой массы» . Проверено 29 декабря 2006 г.
- ^ Кроутер, Пенсильвания (2007). «Физические свойства звезд Вольфа-Райе». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 45 (1): 177–219. arXiv : astro-ph/0610356 . Бибкод : 2007ARA&A..45..177C . дои : 10.1146/annurev.astro.45.051806.110615 . S2CID 1076292 .
- ^ Жорж Мейне; Кирилл Георгий; Рафаэль Хирши; Андре Медер; и др. (12–16 июля 2010 г.). Г. Раув; М. Де Беккер; Ю. Назе; Ж.-М. Врё; и др. (ред.). «Красные сверхгиганты, светящиеся синие переменные и звезды Вольфа-Райе: перспектива одной массивной звезды». Société Royale des Sciences de Liège, Бюллетень (Материалы 39-го Льежского астрофизического коллоквиума) . в1. 80 (39). Льеж: 266–278. arXiv : 1101.5873 . Бибкод : 2011BSRSL..80..266M .
- ^ Лопес, Бруно; Шнайдер, Жан; Данчи, Уильям К. (2005). «Может ли жизнь развиваться в расширенных обитаемых зонах вокруг красных гигантов?». Астрофизический журнал . 627 (2): 974–985. arXiv : astro-ph/0503520 . Бибкод : 2005ApJ...627..974L . дои : 10.1086/430416 . S2CID 17075384 .
- ^ Рамирес, Рамзес М.; Кальтенеггер, Лиза (2016). «Обитаемые зоны звезд постглавной последовательности» . Астрофизический журнал . 823 (1): 6. arXiv : 1605.04924 . Бибкод : 2016ApJ...823....6R . дои : 10.3847/0004-637X/823/1/6 . S2CID 119225201 .
- ^ «Планетарные системы» . exoplanetarchive.ipac.caltech.edu . Проверено 10 августа 2023 г.
- ^ Джонс, Мичиган; Дженкинс, Дж. С.; Блюм, П.; Рохо, П.; Мело, швейцарский франк (2014). «Свойства планет вокруг звезд-гигантов». Астрономия и астрофизика . 566 : А113. arXiv : 1406.0884 . Бибкод : 2014A&A...566A.113J . дои : 10.1051/0004-6361/201323345 . S2CID 118396750 .
- ^ Ирландия, МЮ; и др. (май 2004 г.). «Многоволновые диаметры близлежащих Мирас и полурегулярные переменные». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 350 (1): 365–374. arXiv : astro-ph/0402326 . Бибкод : 2004MNRAS.350..365I . дои : 10.1111/j.1365-2966.2004.07651.x . S2CID 15830460 .
- ^ Абиа, К.; Пальмерини, С.; Буссо, М.; Кристалло, С. (2012). «Соотношения изотопов углерода и кислорода в Арктуре и Альдебаране. Ограничение параметров неконвективного смешивания на ветви красных гигантов». Астрономия и астрофизика . 548 : А55. arXiv : 1210.1160 . Бибкод : 2012A&A...548A..55A . дои : 10.1051/0004-6361/201220148 . S2CID 56386673 .
- ^ Алвес, Дэвид Р. (2000). «Калибровка светимости красного сгустка в K-диапазоне». Астрофизический журнал . 539 (2): 732–741. arXiv : astro-ph/0003329 . Бибкод : 2000ApJ...539..732A . дои : 10.1086/309278 . S2CID 16673121 .
- ^ Нола Тейлор Редд. «Красные гиганты: факты, определение и будущее Солнца» . space.com . Проверено 20 февраля 2016 г. .
- ^ Шредер, К.-П.; Коннон Смит, Р. (2008). «Возвращение к далекому будущему Солнца и Земли». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 386 (1): 155–163. arXiv : 0801.4031 . Бибкод : 2008MNRAS.386..155S . дои : 10.1111/j.1365-2966.2008.13022.x . S2CID 10073988 .
- ^ Сигел, Итан (8 февраля 2020 г.). «Спросите Итана: поглотит ли Землю Солнце?» . Форбс . Проверено 12 марта 2021 г.
Внешние ссылки [ править ]
СМИ, связанные с красными гигантами, на Викискладе?