¿Por qué la liberación de energía durante el destello de He en las estrellas es casi explosiva?

Realmente no puedo poner 2-2 y juntos en cuanto a cómo tener un núcleo de He degenerado inerte se traduce en un He-flash. Además, ¿en qué puntos exactamente comienzan a ocurrir la degeneración y el destello de He?

Respuestas (4)

Respuesta corta: es una combinación de (1) la ignición que ocurre en un núcleo isotérmico degenerado de electrones en el que la ecuación de estado es independiente de la temperatura; y (2) la extrema dependencia de la temperatura de la reacción de fusión triple alfa He.

Detalles:

El destello de helio se produce en la punta de la rama gigante roja de primer ascenso en estrellas con masas entre 0,5 y aproximadamente 2 masas solares. En este punto, la estrella consiste en un núcleo de helio rodeado por una capa de hidrógeno que arde vigorosamente, rodeada por una envoltura convectiva muy grande.

El núcleo es lo que queda de la quema de hidrógeno del núcleo, complementado con helio producido por la quema de la capa de hidrógeno que se hace cargo una vez que se agota el hidrógeno del núcleo. El núcleo inerte se contrae en radio desde su tamaño de secuencia principal porque tiene más masa por partícula, por lo que debe aumentar en densidad para mantener la presión. Mientras lo hace, el teorema del virial exige que también se caliente. La cáscara que se quema cae más y más He en el núcleo, el núcleo se encoge más y se calienta más.

En estrellas > 2 masas solares, el núcleo se calienta lo suficiente como para encender helio en el proceso triple alfa. Esto eleva la temperatura del núcleo, pero no de forma masiva, porque al mismo tiempo aumenta la presión , el núcleo se expande vigorosamente y la capa de hidrógeno que arde es empujada hacia afuera y extinguida.

En una estrella de menor masa es diferente. La densidad del núcleo de He aumenta hasta el punto de que los electrones del núcleo se degeneran. La presión de degeneración de electrones (EDP) domina la presión total del gas y surge porque a densidades lo suficientemente altas, los electrones llenan todos los estados cuánticos de baja energía. EDP ​​solo depende de la densidad, no de la temperatura.

Un núcleo soportado por EDP se vuelve más pequeño y más denso, cuanto más masivo es, por lo que se vuelve más degenerado a medida que se arrojan cenizas de helio sobre él. Pero también está sentado dentro de un caparazón ardiente H enormemente luminoso que lo calienta. En estrellas con una masa mayor a 0,5 masas solares, eventualmente el núcleo se calienta lo suficiente ( ∼ 10 8 K) para encender el He. Debido a que los electrones degenerados son extremadamente conductores, el núcleo es casi isotérmico, por lo que la ignición se propaga rápidamente a través del núcleo. Esto eleva la temperatura central, pero de manera crucial, no la presión central (EDP es independiente de la temperatura y, como explica Ken G en su respuesta, la mayor parte del calor es absorbido por los iones no degenerados que apenas contribuyen a la presión). Simplemente se calienta y la fusión de He aumenta enormemente porque es muy sensible a la temperatura (aproximadamente proporcional a T 40 !!). Este proceso fuera de control se denomina "destello de helio".

Eventualmente, la temperatura sube lo suficiente (a aproximadamente 3 × 10 8 K) para romper la degeneración electrónica, el núcleo se expande rápidamente, la capa H se extingue y la luminosidad del núcleo cae.

El helio es químicamente inerte, pero en las condiciones presentes en el núcleo de una estrella o en la superficie de una enana blanca en crecimiento, el helio es propenso a la fusión. El helio está degenerado, lo que significa que la estructura del núcleo de helio/enana blanca no está soportada por la temperatura, lo que significa que la energía producida durante la fusión no hace que el núcleo se expanda como lo haría si estuviera soportado por energía térmica. Esta falta de expansión significa que la fusión puede desbocarse y consumir todo el núcleo, produciendo enormes cantidades de energía muy rápidamente.

En cuanto a cuándo sucede, debe haber un núcleo de materia degenerada. Si la masa de la estrella es mayor que aproximadamente 2.5 METRO ⊙ , el núcleo de helio no se degenerará antes de que comience a fusionarse, por lo que no habrá destellos de helio. En el caso de las enanas blancas, el helio ya está degenerado, por lo que mientras continúe la acumulación, la presión aumentará hasta que se produzca el destello de He.

"Esta falta de expansión significa que la fusión puede desbocarse y consumir todo el núcleo, produciendo enormes cantidades de energía muy rápidamente". ¿Es esto una consecuencia del Teorema Virial y de que la estrella necesita producir más energía para oponerse al colapso gravitacional? PD: Creo que lo entregaste antes de terminar la última oración.
Arreglé la última oración. Además, diría que esto no es una consecuencia del Teorema de Virial, ya que la presión sobre el núcleo proviene del resto de la estrella y no de la propia gravedad. Sin embargo, lo que dice es correcto y es la razón por la cual el núcleo colapsa una vez que la fusión deja de producir energía en Fe.

Puede que esta no sea una buena explicación, pero la esencia es que, a medida que las estrellas se calientan, aunque se vuelven menos densas con el tiempo, el calor adicional acelera el proceso de fusión. La fusión de helio solo puede ocurrir a unos 100 millones de grados. La temperatura en el núcleo de nuestro sol es de 15 millones de grados: la fusión de hidrógeno y deuterio crea nueva energía todo el tiempo, pero la energía también se irradia, por lo que se calienta lentamente y el núcleo nunca alcanzará los 100 millones de grados, hasta que colapsa. y comienza la fusión de helio.

Una vez que comienza la fusión de helio, el calor aumenta y eso ayuda a mantener el proceso de fusión.

2 cosas a tener en cuenta. 1, cuando el sol tiene un núcleo de helio degenerado, todavía tendrá hidrógeno alrededor del núcleo quemándose alrededor del borde, por lo que cuando ingresa al destello de helio y se expande a una gigante roja, es una combinación de fusión de helio e hidrógeno en ese momento.

2, la fusión de hidrógeno es rara. algo así como el 99,9999% de las veces, cuando dos protones se encuentran, simplemente se separan de nuevo. La fusión protón-protón es como 2 personas tímidas en un bar: la mayoría de las veces, incluso si chocan entre sí, a menudo no se establece ninguna conexión. Es solo 1 en un millón de interacciones donde los 2 protones se convierten en un deuterio y un positrón: el positrón se encuentra rápidamente con un electrón, pero la interacción protón-protón es más reacia. El helio-helio, tal como lo entiendo, es menos reacio a sufrir la transición de fusión en el ciclo CNO, una vez que la temperatura es lo suficientemente alta. Entonces, una vez que comienza, puede suceder más rápidamente.

Si eso está mal, házmelo saber. Esa es mi comprensión del proceso en términos sencillos.

Las estrellas no se vuelven "menos densas con el tiempo", es mucho más complicado que eso. Son las condiciones centrales las que importan, y el núcleo se vuelve más denso con el tiempo relevante para esta pregunta, lo que lleva al destello de He. El destello de helio termina la fase de gigante roja, no es un precursor. Las gigantes rojas del primer ascenso están quemando hidrógeno en una capa, eso es todo.
Gracias por la solución. No sabía eso sobre las gigantes rojas, supuse que estaba quemando helio. Supongo que es la fusión más cercana a la superficie lo que hace que la estrella se expanda tanto. Y también veo lo que dices sobre la densidad: es mucho más denso que H, estaba pensando que el núcleo más caliente se expandiría debido al calor, que es física básica, pero eso podría ser un factor menor que la reducción de hidrógeno y aumento de helio, por lo que tiene sentido.

Existe una idea errónea muy extendida de que un plasma soportado por la presión de electrones degenerados no se expandirá cuando se le añada calor. Esto es incorrecto, representaría una violación básica del teorema del virial. Cuando se añade calor a un gas ideal o a un gas degenerado, la expansión es exactamente la misma si ambos son no relativistas, porque la expansión (y la presión, por cierto) depende únicamente del aumento de la energía cinética interna. Esto es tan cierto para el gas degenerado como para el gas ideal, la distinción involucra el comportamiento de la temperatura, no el comportamiento de la presión. Este es un concepto erróneo tan extendido que casi me desespero de tratar de solucionarlo.

Por un proceso de notable elegancia que lamentablemente se pasa por alto, lo que realmente sucede en un destello de helio es que cuando se agrega calor a un gas sostenido por la presión de electrones degenerados, todo ese calor se destina a elevar la temperatura de los iones, al igual que normalmente se reclama. Sin embargo, es completamente falso que el gas no se expanda; en cambio, el calor agregado provoca una reducción en la degeneración de los electrones que produce precisamente la misma expansión y el mismo trabajo de expansión que se produciría al agregar ese mismo calor a un gas ideal. . Ese es el teorema del virial. Entonces significa que el gas se expande, pero todo el trabajo para soportar esa expansión proviene de la energía cinética de los electrones, los iones quedan libres para recoger todo el calor que se agrega. La razón por la que los iones obtienen el calor es que tienen un calor específico mucho más alto porque no están degenerados (su temperatura aumenta mucho más lentamente cuando se les agrega calor), y la especie con el calor específico más alto siempre obtiene la parte proporcionalmente más alta del calor. calor añadido! Entonceseso es lo que causa la fuga termonuclear, no es que la expansión esté ausente , es que la expansión es irrelevante para la temperatura, si los electrones están degenerados. La expansión es la misma que para un gas ideal, para un calor agregado dado.

La forma de saber que la explicación habitual del destello de helio, que encontrará en todas partes, es incorrecta es que en la explicación habitual, debe esperar que ocurra una fuga termonuclear incluso si el número y la masa de los iones fuera el mismo que los electrones Claramente, si cree que sucede porque no hay expansión de gas degenerado, no hay problema si los iones están tan degenerados como los electrones. Pero, de hecho, en ese caso no se produciría ninguna fuga termonuclear, porque entonces la expansión robaría la energía cinética de los iones tal como ya lo hace con los electrones. Si los iones no están menos degenerados, no tienen el calor específico más alto que les permite engullir la mayor parte del calor añadido. La energía interna del gas se comportaría como lo hace para los gases ideales,

"Cuando se añade calor... a un gas degenerado". Los gases degenerados no contienen calor; si agrega calor "significativo" a un gas degenerado, entonces ya no es degenerado. La única razón por la que hay alguna expansión es porque el gas está parcialmente degenerado.
También estoy luchando con el último párrafo. ¿Usted dice que no considere la expansión pero con los iones y los electrones como especies degeneradas, pero luego continúa diciendo "la expansión robaría KE de los iones ..."? De hecho, si los iones estuvieran degenerados, la fuga sería más extrema. El mismo calor agregado daría como resultado temperaturas aún más altas y velocidades de reacción nuclear aún más rápidas, pero con un pequeño aumento en la presión. La energía interna de un gas perfecto depende de su temperatura, la de un gas degenerado no.
No. Para todos los tipos de gases no relativistas, incluidos los gases degenerados, la presión es simplemente 2/3 de la energía cinética interna. Entonces, cualquier cosa que agregue energía cinética interna siempre tendrá exactamente el mismo efecto en la presión, no importa en absoluto si el gas está degenerado o no. Lo que afecta la degeneración es la temperatura, a la presión no le importa si el gas está degenerado o no en cualquier situación en la que pueda rastrear el historial de la energía cinética interna, como cuando agrega calor y aplica la primera ley de la termodinámica.
Su segundo comentario demuestra exactamente el concepto erróneo del que estoy hablando. Este es un concepto erróneo muy extendido, se encuentra en fuentes confiables, por lo que no es sorprendente que haya sido víctima de él. La explicación incorrecta habitual sugiere que si tanto los electrones como los iones se degeneraran, la fuga sería aún peor, pero de hecho no sucedería en absoluto: la lógica para eso se da arriba.
OK, veo lo que dices, y la segunda parte de mi segundo comentario es incorrecta. Pero necesita reformular algo porque comienza diciendo que considere un modelo donde no hay expansión y luego dice que la expansión robaría KE de los iones. Por lo que puedo ver, mi respuesta anterior está bien. Estoy argumentando que la presión del gas no aumenta con la temperatura, y eso es cierto. La razón es lo que describiste anteriormente: el calor entra en los iones.
No es cierto que la presión no suba, y no es cierto que la expansión de un gas degenerado sea diferente de la expansión de un gas ideal, cuando la fusión le agrega calor. El motivo del flash no tiene nada que ver con la falta de expansión, porque no hay falta de expansión. Tiene que ver con la capacidad calorífica de los iones ideales frente a los electrones degenerados, y el hecho de que el trabajo de expansión lo realizan los electrones, no los iones.
No estoy de acuerdo. En el núcleo, justo antes del destello de He, la presión está dominada por EDP; ese es el requisito para tener un destello de He. Agregar calor le da KE a los iones, pero no a los electrones, por lo que no aumenta la presión neta.
Eso era todo correcto hasta el último "y así". Ese es el concepto erróneo: que agregar calor a un gas degenerado no aumenta la presión. Está mal, agregar calor aumenta la presión exactamente en la misma cantidad que lo haría para un gas ideal, porque en ambos casos, la presión es 2/3 de la densidad de energía cinética interna. Este es el hecho crucial que debe entenderse, no es controvertido, simplemente se pasa por alto.
Según usted, poco calor va a los electrones degenerados; y estoy de acuerdo. La presión del gas es PAG = PAG mi + PAG i , dónde PAG mi ≫ PAG i . Cuando calientas el gas, la temperatura aumenta, la densidad permanece más o menos sin cambios. Entonces solo solo PAG i aumenta significativamente y Δ PAG es pequeño. El gas de electrones degenerado tiene mi F / k T ∼ 20 , por lo que una energía cinética interna de alrededor 15 k T por electrón. Para aumentar significativamente la presión del gas de electrones se requeriría un aumento de la temperatura de un orden de magnitud, lo que aumentaría la tasa de combustión de He en 400 órdenes de magnitud.
Considere: dos bolas de gas de 1 masa solar con la misma masa, radio y energía cinética interna. Uno combina iones con fermiones degenerados de baja masa indistinguibles, el otro combina esos mismos iones con partículas distinguibles de baja masa que son como las primeras excepto que no son degeneradas (porque son distinguibles). La presión y la gravedad de ambos casos serán exactamente las mismas, y la respuesta de la presión a la adición de calor por fusión también será exactamente la misma. Esto se sigue del simple hecho de que la presión en ambos casos es 2/3 de la densidad de energía cinética.
¿Por qué la liberación de energía durante el destello de He en las estrellas es casi explosiva?
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