Script: http://faculty.wcas.northwestern.edu/~infocom/The%20Website/end.html

A Hélium Vaku

A vörös óriás végének kezdete a Napunk tömege nagyon hirtelen történik. Ahogy a hélium “hamu” továbbra is felhalmozódik a középpontjában, a nagyobb részük elektron degenerálódik. Ez egy furcsa paradoxon: még akkor is, ha a vörös óriás csillag külső rétegei egy hatalmas, de csekély felhőbe bontakoznak ki, belső magja lebénítja magát, hogy eltemetett fehér törpét formáljon. A Nap magjában a hőmérséklet és a nyomás a jelenlegi érték 10-szeresére emelkedik. És körülbelül 1,2 milliárd évvel azután, hogy elhagyta a fő sorrendet, a dicsőség csúcsán vörös óriásként a Nap héliummagjának középpontja eléggé masszív, sűrű és forró lesz, hogy valami csodálatos lesz: egy ügyben Perc, akkor meggyullad és ég.

Ha a mag hőmérséklete eléri a 100 millió fokot, akkor a hélium a hármas alfa-eljárásnak nevezett reakcióval szén-dioxidra indul, mivel három heliummagot egy szénatomgá alakít. Ez nagy hőt termel. Azonban, ellentétben azzal, amikor a Nap fiatal volt, és magja normális anyagot tartalmazott, az elektron-degenerált héliumhoz több hőt hoztak létre, ami nem növeli és hűti meg. Amint megjegyeztem, amikor kvantummechanikát vitattam meg, az elektron degenerált anyag inkább folyadékhoz hasonlít, mint egy gáz, amikor felmelegíti: hőmérséklete gyorsan nő, de nem terjed ki. Más szavakkal, az önszabályozó mechanizmus, amely a fő szekvenciájú csillagokat annyira stabil (hidrosztatikai egyensúlyi állapotban) tartja, kikapcsolódik az elektron degenerált anyagban. Ha fehér héjat ad hozzá, akkor csak forróbb lesz.

A triple-alpha-folyamat kivételesen magas hőmérsékletfüggő: a reakció hőmérsékletének megduplázása nagyjából egy milliárdszor gyorsabban fut! Tehát, mivel a beégető hélium felmelegíti a magot, amely nem képes meghosszabbodni, a megnövekedett hőmérséklet miatt a hélium fúzió hirtelen több milliószor gyorsabbá válik, ami még gyorsabban hevíti a magot, ami pedig a héliumot, Gyorsabban…

Röviden, a hélium középpontja felrobban. Az elektron által degenerált héliummagnak körülbelül 6% -a, amely napjainkban a napelem tömegének körülbelül 40% -át teszi ki, néhány perc alatt szén-dioxiddá olvad. (Ez megfelel annak, hogy másodpercenként körülbelül tíz holttérnyi héliumot égetnek le, ha megtartja a pontszámot.) Nyilvánvaló okokból a csillagászok ezt a hélium villanását hívják. Abban a pillanatban, amikor egy bagelre kell pirítani, a vaku olyan energiát bocsát ki, amennyit a jelenlegi Sun 200 millió év alatt termel. A vak magasságában a Nap magja nagyon rövid időre megegyezik a Tejút-galaxis összes csillagának kombinált fényességével! El lehet képzelni, hogy ennek a nagyságrendnek a fojtása drámai hatást gyakorol a vörös óriásra – és bizonyos értelemben, de nem olyan hirtelen vagy erőszakosan, mint gondolná.

Ez azért van, mert hajlamosak vagyunk alulbecsülni a gravitációt. A nukleáris fegyverek megfélemlítő erejével összehasonlítva a kőzetek lecsapolásából származó energia nem tűnik nagyon hatásosnak. De valójában a rendkívül sűrű, rendkívül nagy tömegek gravitációs energiája megdöbbentő – csak emberi előítéletünk származik abból a tényből, hogy egy olyan kicsi kavicson élünk, amely nem masszív és sűrű, ami másképp gondolkodik.

Tegyük fel, hogy a Földet egy nagy, sűrű tárgyak példájaként alkalmazzuk, annak ellenére, hogy egy fehér törpével összehasonlítva olyan sűrű, mint a pamut cukorka. A Föld kétszeresére történő feltöltéséhez – vagyis a Föld tömegének a gravitációhoz való felemeléséig a sugara megduplázódásáig – megköveteli, hogy a napenergia elérje a Föld felszínét (csupán 185.000.000.000 megawatt) a következő 13 millió év!

A hélium villanásakor a csillag degenerált magját olyan erősen felmelegítik, hogy végül “párologtatják”, úgymond. Vagyis az egyes magok olyan gyorsan mozognak, hogy “felforralják” és meneküljenek. A mag visszatért egy (látványosan sűrű) normál gázba, és erőteljesen kibővül. Az a hatalmas gravitációs energia, amely ahhoz szükséges, hogy 100 000 földi tömegt gátolhasson a degenerációból és az eredeti térfogat többszöröséig, ugyanolyan, mint a hélium villanása. Vagy más szavakkal, a vaku szinte minden energiáját elnyeli a titán súlyemelés, amely ahhoz szükséges, hogy felemelje a magot a fehér törpe állapotából. Lényegében az energia egyetlen része sem ér el a vörös óriás felszínén, sőt, ha a vörös óriást szabad szemmel nézed, ahogy a hélium magja elgörbült, kétséges, hogy bármit is észre fogsz venni.

Tehát az emberi normák szerint a hélium villanása csalódást okozó. Galaktikus normákkal azonban a vörös óriást a szívben lőtték le. A mag hirtelen terjeszkedése olyan hanyatlással jár, hogy olyan súlyos, mint valami jégkorszak kezdete. A hűtés azonnal alacsonyabb nyomást eredményez a hidrogén-égő héjban, amely körülveszi a magot, és ezáltal az energiatermelés súlyos csökkenéséhez vezet. A piros óriás átmérője és fényereje a korábbi értékeik kevesebb mint 2% -ára hullik, ami szinte pillanatnyi, mint a sztárok szokásos időtartamának (talán csak 10 000 évig). A csillagok tömegéhez képest a hélium villanása egy narancssárga-sárga csillagba esik, amely tízszer akkora, mint az aktuális napelem átmérője és 40-szeres a fényerő. Elég komédia.

A Nap Vége

Az utolsó 140 millió évvel ezelőtt a Nap életében nagyon bonyolult lesz. Az összeomlás után, amint az az 1. ábrán látható, a Nap kettős energiaforrással rendelkező csillagként újra létrehozza magát: sűrű (de nem elektron degenerált) szén-oxigén magja lesz, amelyet egy héj vesz körül, ahol a hélium szén-ből égett , És azon kívül egy másik héj lesz, ahol a hidrogén héliumba ég. (A mag oxigént a lassú fúzió hozza létre a szén és a hélium között a mag felszínén, a nehezebb csillagokban pedig az oxigén megolvadhat a héliummal, hogy neonossá váljon.) A helium fúzió kilogrammonként mindössze 9% energiát termel, mint a hidrogén-fúzió , Így energiaigényes, a Nap továbbra is elsősorban hidrogénreaktor. Fényereje 90% -a még mindig hideg égéstől származik.

Azonban a magot körülvevő hélium, amely most meghatározza, hogyan fog fejlődni a Nap. A Nap többé-kevésbé megismétli, amit az öregedő fő szekvenciájú csillagként ismételgetett, kivéve, ha a magban egy szén-hélium keverék, a hélium-hidrogén keverék helyett. Egy ideig viszonylagos stabilitást és hidrosztatikus egyensúlyt tart fenn az új inkarnációban narancssárga-sárga “szubgiant” csillagként. Így létezésük e fázisában a csillagok néha a “hélium fő szekvenciáján” szerepelnek. Az emberi élet áttörő perspektívájából az apró csillagok elég nyugodtnak tűnnek: a jól ismert fényes csillag Arcturus, akinek a fényét az 1933-as chicagói világkiállítás megnyitására használták, egy ilyen csillag. A teleszkóp találmánya óta nem változott mérhető módon.

De a hélium égésének fenntartásához szükséges magas hőmérsékletek azt jelentik, hogy a Nap csak egyetlen héliumot képes égetni: nagyon gyorsan. A forró mag diktálja a gyors hidrogénégést is. Amikor a normális fő sorrendben volt, a Nap fényereje meglehetősen közel 1,0 L_o-ot tartott kilenc milliárd évig, mielőtt a 2.7 L_o végére világítana. A hélium fő szekvenciáján a Nap fényereje kb. 45 L_o értéken marad, mielőtt a fény végén körülbelül 110 L_o-re világítana. Nem olyan lenyűgöző, mint egy vörös óriás, de még mindig nagyon fényes.

A szubtilisztikus életmód fenntartása érdekében a Napnak 100-szor gyorsabbnak kell lennie a hélium magjában az üzemanyagon, mint az eredeti hidrogénmaggal. A hélium fő szekvenciája után mindössze százmillió év után a Nap ismét fel fog mászni a vörös óriások birodalmába, és ugyanazon okok miatt, mint korábban. De nincs olyan “szén-dioxid” vaku a hélium villanásakor, amely megállította a Napot először. A szén-szén fúzió meggyújtásához szükséges hőmérséklet és nyomás túl nagy ahhoz, hogy a Nap elérje, függetlenül attól, hogy a mag összezsugorodik, így a szén csak felhalmozódik és egyre sűrűbbé válik. Az a tendencia, amelyet a Sun az első futás során vörös óriásként mutatott, amikor a magját fehér törpe sűrűségre zúzták, még akkor is, ha a külső rétegek tízmillió kilométeres átmérőjűre hullottak, most már megállíthatatlan. A Nap ismét vörös óriássá válik, ezúttal a 3000 L_o felett. Külső rétegei tovább és tovább kifelé, a Jupiter pályáján túl, még akkor is, ha az elektron degenerált magja gyorsabban növekszik, és így kisebb és sűrűbb.

És végül eljön a nap, amikor a két rész társaság. A csillag utolsó napjai rendkívül bonyolultak, mert a héliumégető és a hidrogén égő héja ugyanolyan mértékben nem ég. A melegebb, gyorsabban égő hélium héja hajlamos arra, hogy kifelé forduljon és megelőzze a hidrogén-égő héjat, és ha ez megtörténik, nincs több hélium ahhoz, hogy égjen, így a hélium héja kipukkan. De az óriás csillag gyorsabban felgyújtja a héliumot, majd összegyűjti a fehér törpe magot, amíg hirtelen fel nem tűnik egy távoli héliumgyújtóban, ami olyan, mint egy héliumos vaku villámcsapása. A hélium felrobbanása rövid időre megszakítja a hidrogén égését (és kikapcsol). Végül a Nap valóban köhögni fogja magát, mivel több üzemanyag-gyulladás és a fojtott fúziós oltás átörökíti a légkört.

Négy vagy öt hatalmas robbanás, körülbelül 100 000 év távolsággal elosztva, a Nap külső rétegei elválnak a magtól, és teljesen elfújják. Hatalmas, kiterjedő héjat fognak alkotni a naprendszer körül, és kifelé mozdulnak, hogy csatlakozzanak az interstelláris gázhoz. A Nap tömegének mintegy 45% -a kerül ki ilyen módon. A nap tömegének fennmaradó 55% -át hamarosan összenyomják a fehér, forró, ultra-sűrű magba. Ahhoz, hogy valaki távolról nézze a Napot, a Nap úgy tűnik, hogy gyorsan vált a színekről pirosról fehérre, ahogy a körülötte levő gázhalmazt felemeli. (“Gyorsan”, persze, csak néhányszor hosszabb időtartamot értek, mint a piramisok kora.)

A csillogó napelem magassági felülete olyan forró lesz, legalább 170 000 K°, hogy több x-sugarat bocsát
ki, mint a látható fény. (A piros-óriás csillagok a legmelegebb csillagok, kivéve a neutroncsillagokat.) A fényerõ ragyogó 4000 L_o. A Nap valóban galaktikus termetű sugárzásforrássá válik, energiája felgyújtja az elszökő gázokat, mint egy hatalmas neonjel. Az ilyen felhőket planetáris ködnek nevezik, félrevezető nevet, mert a 18. századi csillagászok alig látták őket az idő teleszkópjával, és úgy gondolták, hogy bolygóknak tűnnek. A csillagászat legszebb látványosságai közé tartoznak. A jobb oldali fénykép, az NGC 6751 néven ismert köd, az egyik kedvencem. A fényes folt a központban a vörös-óriás szülőcsillag.

Figyelemreméltó, hogy egy csillag van a külső rétegek lefújásának pillanatában, amely szabad szemmel látható. Ez a Mira, a “Csodálatos”, amelyet az arab csillagászok a középkorban neveztek el, mert Mira meglehetősen tévedésszerűen változik, körülbelül 330 nap elteltével, hogy a csillagkép legszebb csillaga (Cetus, a bálna) a láthatatlanná váljon. Mira az egyetlen klasszikusan elnevezett csillag, amelyet nem láthatsz, az idő nagy részében. A modern eszközök azt mutatják, hogy a Mira egy túlságosan kiterjesztett zsák mélyvörös gáz, amely még nem is gömbölyű, és amely 2000 K° -nál az egyik leghűvösebb csillag. Légköre összetett hullámzásokon és oszcillációkon megy keresztül, ahogy a nukleáris égetés alatt csikorog és zihál. Ezért változékonyságát. 500 000 évnél rövidebb ideig Mira bolygó köd lesz.

Ami a Napot illeti, anélkül, hogy a külső rétegek több hidrogént szolgáltattak volna, csak néhány ezer éve képes fenntartani a ködének csodálatos megjelenését, alig többet, mint az ujjak galaktikus normákkal. A sűrű magon lévő utolsó tüzelőanyag végül kiég, és először több mint tizenkét milliárd év alatt a Nap megszűnik energiát előállítani. A köd elbomlik és elhalványul. A Nap egy fehér törpe lett, kicsit nagyobb, mint a Föld, de 200 000-szer nagyobb tömegű, és az elkövetkező év milliárdokig csak lassan lehűl.

A hatalmas sűrűségüknek köszönhetően annyira nagy az idő, hogy a fehér törpék lehűlnek, így még a legidősebb (közel 12 milliárd évvel ezelőtt is) ideje már jóval 5000 K° alá süllyedni kezd. Ezek a nagyon régi “fehér törpék” talán pontosabban “sárgásfehér” törpéknek nevezhetők, de a Tejút semmiképpen sem tartalmaz “fekete törpéket”. Az összes tízmilliárdnyi fehér törpe csillag, amelyet a galaxisunk a Nagy durranás óta teremtett, még mindig csillogóan csillog.