Dlaczego gwiazdy świecą? Produkcja i transport energii (Gwiazdy cz. 4)

W ostatniej części dowiedziałeś się z czego zbudowane są gwiazdy (jeśli nie czytałeś, to odsyłam). Wspomniałem także, że ich skład chemiczny zmienia się wraz z wiekiem. W tym artykule dowiesz się dlaczego tak się dzieje.

Zaczniemy od tego, w jaki sposób energia cieplna może być przenoszona. Z fizyki wiadomo, że istnieją 3 sposoby: przewodnictwo, konwekcja i promieniowanie. Gwiezdna materia ma takie właściwości, że pierwszy z mechanizmów po prostu nie działa. Co innego w pozostałych dwóch przypadkach! Pamiętasz jak w poprzedniej części wspomniałem o dwóch warstwach – strefie konwektywnej i promienistej? Swoje nazwy biorą właśnie od mechanizmów wymiany energii cieplnej. 🙂

Konwekcja

Konwecja jest spowodowana różnicami temperatur i ciśnień materii w różnych miejscach gwiazd. Gaz chłodniejszy, o większym ciśnieniu opada w kierunku jądra, zastępując gorętszą i lżejszą plazmę. Położony niżej ogrzewa się, wyżej – ochładza. I tak w kółko…

Promieniowanie

Promieniowanie cieplne natomiast to przenoszenie energii poprzez strumienie cząstek (np. elektrony) lub fal elektromagnetycznych o różnych energiach. Każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego wymienia ciepło z otoczeniem w taki sposób. Strumienie te zderzają się z innymi cząstkami, wzbudzając je. Cząstki emitują fotony i stopniowo energia „przedostaje się” do coraz odleglejszych warstw. Ogólnie, materia gwiazdowa jest gęsta. Taką podróż światła nazywamy błądzeniem przypadkowym. Dopiero po ok. milionie lat przedzierania się przez kolejne warstwy słońc, światło wydostaje się na zewnątrz, co nazywamy przelotem swobodnym.

Poniżej przedstawiam schematyczne umiejscowienie omówionych stref. Jednostka to masa Słońca.

Wiadomo, że aby móc coś transportować, trzeba mieć… właśnie to coś. W przypadku gwiazd jest to enrgia cieplna/termalna. To dzięki jej wytwarzaniu możliwe jest zachowanie równowagi hydrostaycznej! Gdy jest jej za mało, w najlepszym wypadku gwiazda kurczy się (nie będę teraz rozwijał tego wątku). Gdy mamy nadwyżkę, puchnie jak balon.

Reakcje termojądrowe

Skoro przekonałeś się już, że to ważne, przejdźmy do omówienia mechanizów produkcji energii. 😉 Gwiazda czerpie enrgię z reakcji termojądrowych. Polegają one na syntezie cięższych pierwiastków z lżejszych. Im cięższy pierwiastek wytwarzamy, musimy zapewnić coraz bardziej ekstremalne warunki. Rzecz jasna, znajdziemy je w gwiazdach! Niewyobrażalna temperatura, duże gęstości… Poniżej prezentuję najważniejsze cykle reakcji.

Cykl protonowy (pp)

Najbardziej podstawowy sposób syntezy helu z wodoru, dający energię gwiazdom przez najdłuższy czas. Oczywiście proton to wodór – stąd nazwa.



Do kompletu możemy jeszcze dodać:

Można dojść do wniosku, że rezultat netto to:

W pierwszej reakcji powstaje deuter, pozyton (antyelektron) i neutrino elektronowe. Neutrina to bardzo przenikliwe i jednocześnie mało reaktywne cząstki elementarne poruszające się z prędkościami podświetlnymi. Cykl ten jest efektywny w temperaturach powyżej 10 milionów kelwinów i zachodzi przy minimalnej gęstości 100 g/cm3.

 

Cykl CNO (węglowo-azotowo-tlenowy)

Głównie w późniejszych etapach ewolucji, zazwyczaj w pełni efektywny, gdy jest mało wodoru lub gdy gwiazda jest masywna. Bardzo wydajny energetycznie. Także prowadzi do powstania helu. 






Jak widać, węgiel, azot i tlen nie są faktycznie zużywane. Są jedynie katalizatorami tego procesu. „*” oznacza pierwiastek wzbudzony czyli taki, który się rozpadnie. Netto:

Cykl ten staje się efektywny powyżej 20 milionów kelwinów.

Cykl 3α

Synteza węgla z helu. Występuje w bardzo gorących gwiazdach, w ostatnim etapie życia (lub jako jeden z ostatnich, krótkotrwałych okresów dla bardzo masywnych gwiazd). Nazwę zawdzięcza helowi-4, czyli właśnie cząstce alfa. Daje już zdecydowanie mniej energii niż poprzednie. Przez to gwiazda powoli zaczyna „walczyć” o przetrwanie. 



Netto:

Wymagana temperatura to 100 milionów kelwinów, a gęstość między 1000 – 10 000 g/cm3.

Tak, to już wszystko. 🙂 Można by mnożyć różne warianty powyższych cykli, jednak zawsze chodzi o to samo.

„Spalanie wodoru?”

Po tym bogatym w teorię artykule warto odpowiedzieć na jeszcze jedno pytanie. Czy w gwiazdach coś się spala? Często spotyka się sformułowania typu „w Słońcu spalany jest wodór”, nawet w podręcznikach. Ok, to czym charakteryzuje się reakcja spalania? Materiał reaguje z utleniaczem. Wszystkie powyższe reakcje nie spełniają tego warunku. Wniosek jest prosty. Źródłem energii gwiazd NIE JEST spalanie czegokolwiek. Jej źródłem jest fuzja jądrowa pierwiastków.
Mit obalony!

Tym miłym akcentem kończę tą część naszej gwiezdnej opowieści. 🙂 Jeśli Ci się spodobało to koniecznie udostępnij, skomentuj, zapisz się do newslettera i odwiedź facebooka!
Pozdrawiam!

Facebook: https://www.facebook.com/apophisblog/

1 thought on “Dlaczego gwiazdy świecą? Produkcja i transport energii (Gwiazdy cz. 4)

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *