¿Por qué el helio no comienza a fusionarse mientras todavía hay combustible de hidrógeno?

En todas las descripciones del ciclo de vida estelar, parece que el helio no comienza a fusionarse hasta que todo (¿la mayoría?) del hidrógeno desaparece.

¿Es esto cierto? ¿Por qué es esto?

Parece contra intuitivo. Considere un fuego que consiste en gasolina (hidrógeno) y madera (helio). Seguro que la gasolina se quemaría más rápido, pero la madera aún se consumiría mientras se consumía la gasolina inicial.

Respuestas (3)

La analogía es fácil. El helio se funde a una temperatura ( 10 8   k ) aproximadamente diez veces mayor que el hidrógeno ( 10 7   k ), por lo que una mejor analogía sería el alcohol y la termita. Esa temperatura más alta se logra solo mediante una contracción gravitacional masiva después de que se agota la fusión de hidrógeno [ EDITAR : en el núcleo].

EDITAR:

Para expandirse, las estrellas de diferente masa pasan por ciclos de vida radicalmente diferentes, por lo que "la fusión de hidrógeno se agota" significa cosas diferentes para diferentes estrellas. En todos los casos, la fusión ocurre solo en una pequeña región central.

Para las estrellas más ligeras, la convección (piense en agua hirviendo rápidamente) agita toda la estrella, por lo que todo su hidrógeno eventualmente se fusionará. Esto llevará mucho más tiempo que la edad del universo, pero incluso en un futuro lejano, nunca se comprimirán lo suficiente como para generar temperaturas de fusión de helio.

Para estrellas más pesadas, incluido el Sol, la convección solo mezcla la región central, por lo que agotar la fusión de hidrógeno solo significa fusionar todo el hidrógeno en el núcleo. El problema es que después del agotamiento del hidrógeno del núcleo, después de que el núcleo colapsa y se calienta, y después de que comienza la fusión del helio, una capa delgada de hidrógeno previamente prístino que rodea el helio en fusión puede comenzar a fusionarse también. De ahí la primera edición aclaratoria anterior.

El último párrafo de su edición lo obtiene al revés. La fusión de hidrógeno de Shell comienza antes que la fusión de helio del núcleo.
Un punto técnico menor (no afecta las conclusiones): el núcleo del Sol no es convectivo. En mi cabeza, no creo que los núcleos estelares se vuelvan convectivos hasta que la energía sea producida principalmente por el ciclo CNO y creo que eso sucede alrededor 1.5 METRO ⊙ .
Agregaría que la mayoría de las etapas de combustión nuclear se autorregulan. Es decir, una vez que se establece la fusión, los aumentos de temperatura dan como resultado aumentos en la producción de energía, expandiendo la estrella y enfriando las cosas. Por lo tanto, mientras una región esté quemando hidrógeno, se mantendrá cerca de la temperatura mínima de combustión de hidrógeno y, por lo tanto, no quemará helio.

La temperatura es igual a la velocidad a la que viajan los núcleos. Dado que los núcleos de helio necesitan chocar con mayor energía para fusionarse, esto solo puede ocurrir a una temperatura más alta. A medida que un gas se calienta, se expande y se vuelve menos denso, lo que reduce la cantidad de energía generada por la fusión.

Con una mezcla de hidrógeno y helio, la energía generada por la fusión de hidrógeno evita que el gas se vuelva lo suficientemente denso para fusionar helio, y una vez que la energía de la fusión de hidrógeno cae lo suficiente, el gas puede encogerse lo suficiente como para comenzar a fusionar helio.

Entonces, ¿por qué una estrella se expande a gigante roja una vez que entra en la fase de helio si el gas debe comprimirse para alcanzar suficiente calor para fusionar el helio? (Creo que sé la respuesta, solo creo que la respuesta sería más completa con este bit. Tal vez esta debería ser otra pregunta).
el núcleo se comprime y se vuelve más caliente, al hacerlo comienza a emitir mucha energía extra, que tiene que ir a alguna parte para hacer que la envoltura sea más grande. Richard Pogge explica esto con cierto detalle en su clase de Astronomía 162 que puede descargar de su sitio web como un podcast astronomy.ohio-state.edu/~pogge/Ast162
@ZacharyK: Aunque a menudo se afirma, esa razón no es la razón por la que la envoltura de una estrella se expande cuando su núcleo colapsa. (No he escuchado las conferencias de Pogge, así que no estoy seguro de lo que dijo exactamente). No hay razón para que la energía quede atrapada en el sobre. De hecho, uno puede construir estrellas modelo que están hechas de helio puro. Después de agotar el helio de su núcleo, el núcleo se contrae como una estrella normal, pero la envoltura no se expande. Algo más debe causar la expansión... ¡pero todavía no se sabe qué!
@Warrick: sospecho que es un problema de opacidad. Si la envoltura atrapa suficiente energía, obtienes la expansión, pero si es demasiado transparente, obtienes la estrella de helio. La diferencia entre los dos podría requerir un ajuste muy fino de la microfísica, que aún no existe en las simulaciones modernas.
@Andrew: No puedo exponer muchos detalles en un comentario, pero básicamente, la pregunta de por qué las estrellas se expanden en gigantes está abierta. Es decir, nadie puede mirar un modelo estelar pre-gigante y decir "esto se convertirá en gigante" o "esto no". La microfísica en las simulaciones modernas es bastante buena. Incluso si restringe la opacidad a la dispersión de electrones, una estrella seguirá convirtiéndose en gigante (pero no tan grande). Se sospecha que la gigantismo está relacionada con la presencia de una capa nuclear en llamas y un fuerte gradiente de densidad alrededor del núcleo. es decir, si suprimes el gradiente de densidad, algunas estrellas no se vuelven gigantes.
@zeristor: ¡Esa es una gran respuesta! Voté a favor. ¿Consideraría ser un usuario beta de Materials Modeling Stack Exchange ? Cubrimos temas como almacenamiento de combustible, conversión de energía, celdas solares, baterías, todo desde la perspectiva del modelado computacional en una computadora.

En realidad, el hidrógeno constituye la mayor parte de la masa de una estrella durante toda su vida, incluso durante la fusión del helio. Básicamente, las cosas proceden así:

La fusión de hidrógeno del núcleo produce la energía que alimenta a la estrella durante la mayor parte de su vida.

En cierto punto, todo el hidrógeno del núcleo se ha quemado. Tenga en cuenta que el hidrógeno se fusiona en una capa alrededor del núcleo de helio.

El núcleo de helio, dado que no se está fusionando -> al no producir ninguna fuerza hacia el exterior, se colapsa hacia el interior. A medida que colapsa, se vuelve más y más caliente, pero todavía no hay fusión de helio. El calor producido por este núcleo colapsado en realidad hace que la fusión de hidrógeno de la capa aumente como loca. Esta fusión extra de hidrógeno hace que la estrella se convierta en una gigante roja.

En cierto punto, el helio se volverá tan caliente y denso debido a su continuo colapso, que finalmente comenzará a arder (~10 ^ 8 K como dijo Andrew). Esto hace que el núcleo de helio se expanda y la fusión de hidrógeno se confina. al núcleo de la región de helio. En realidad, esto enfría bastante la capa de hidrógeno, lo que hace que la fusión de la capa de hidrógeno disminuya enormemente. Esto hace que la salida total del núcleo y la cubierta caiga, y toda la estrella se vuelve algo más pequeña a medida que colapsa hacia adentro. Ahora la estrella funciona casi por completo con fusión de helio.

Este proceso se conoce como "destello de helio".

Pero al final, te quedas con un comienzo que está hecho casi en su totalidad de hidrógeno más frío, con una pequeña y extremadamente caliente bola de helio en su núcleo.

¿Por qué el helio no comienza a fusionarse mientras todavía hay combustible de hidrógeno?
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