22.1: Mageuzi kutoka Mlolongo Kuu kwa Red Giants

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza mlolongo wa umri wa sifuri
• Eleza kinachotokea kwa nyota kuu za mlolongo wa raia mbalimbali wakati zinavyotolea nje ugavi wao wa hidrojeni

Mojawapo ya njia bora za kupata “snapshot” ya kundi la nyota ni kwa kupanga mipango yao kwenye mchoro wa H—R. Sisi tayari kutumika mchoro H - R kufuata mageuzi ya protostars hadi wakati wao kufikia mlolongo kuu. Sasa tutaona nini kinatokea ijayo.

Mara baada ya nyota kufikia hatua kuu ya mlolongo wa maisha yake, inapata nishati yake karibu kabisa kutokana na uongofu wa hidrojeni hadi heliamu kupitia mchakato wa fusion ya nyuklia katika msingi wake (tazama Jua: Nuclear Powerhouse). Kwa kuwa hidrojeni ni elementi tele zaidi katika nyota, mchakato huu unaweza kudumisha usawa wa nyota kwa muda mrefu. Hivyo, nyota zote zinabaki kwenye mlolongo kuu kwa maisha yao mengi. Baadhi ya wanaastronomia wanapenda kuiita awamu ya mlolongo kuu ya nyota “ujana wa muda mrefu” au “utu uzima” (kuendelea kufanana kwetu na hatua za maisha ya binadamu).

Makali ya mkono wa kushoto wa bendi kuu ya mlolongo katika mchoro wa H - R inaitwa mlolongo mkuu wa umri wa sifuri (angalia Kielelezo\(18.4.1\) katika Sehemu ya 18.4). Tunatumia neno la umri wa sifuri kuashiria wakati ambapo nyota inaacha kuambukizwa, ikitatua kwenye mlolongo mkuu, na huanza kuunganisha hidrojeni katika msingi wake. Mlolongo mkuu wa umri wa sifuri ni mstari unaoendelea katika mchoro wa H—R unaoonyesha wapi nyota za raia tofauti lakini kemikali zinazofanana zinaweza kupatikana pale zinapoanza kuunganisha hidrojeni.

Kwa kuwa asilimia 0.7 tu ya hidrojeni inayotumiwa katika athari za fusion inabadilishwa kuwa nishati, fusion haibadili wingi wa nyota kwa thamani wakati huu mrefu. Haina, hata hivyo, mabadiliko ya kemikali katika mikoa yake ya kati ambapo athari za nyuklia hutokea: hidrojeni hupungua hatua kwa hatua, na heliamu hujilimbikiza. Mabadiliko haya ya muundo hubadilisha mwanga, joto, ukubwa, na muundo wa mambo ya ndani ya nyota. Wakati mwanga na joto la nyota zinaanza kubadilika, hatua inayowakilisha nyota kwenye mchoro wa H—R huondoka kwenye mlolongo mkuu wa umri wa sifuri.

Mahesabu yanaonyesha ya kwamba halijoto na wiani katika eneo la ndani huongezeka polepole kadiri heliamu hujilimbikiza katikati ya nyota. Kama joto inapopata joto, kila protoni hupata nishati zaidi ya mwendo kwa wastani; hii inamaanisha kuwa inawezekana zaidi kuingiliana na protoni nyingine, na matokeo yake, kiwango cha fusion pia kinaongezeka. Kwa mzunguko wa protoni-proton ulioelezwa katika Jua: Nguvu ya nyuklia, kiwango cha fusion kinaongezeka takribani kama joto hadi nguvu ya nne.

Ikiwa kiwango cha fusion kinaongezeka, kiwango ambacho nishati huzalishwa pia huongezeka, na mwanga wa nyota huongezeka hatua kwa hatua. Awali, hata hivyo, mabadiliko haya ni madogo, na nyota zinabaki ndani ya bendi kuu ya mlolongo kwenye mchoro wa H—R kwa muda mwingi wa maisha yao.

Mfano\(\PageIndex{1}\): Joto la Nyota na Kiwango cha Fusion

Ikiwa joto la nyota lingekuwa mara mbili, kwa sababu gani kiwango chake cha fusion kinaongezeka?

Suluhisho

Kwa kuwa kiwango cha fusion (kama joto) kinaendelea hadi nguvu ya nne, ingeongezeka kwa sababu ya 2 ⁴, au mara 16.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Ikiwa kiwango cha fusion ya nyota kiliongezeka mara 256, kwa sababu gani joto litaongezeka?

Jibu

Joto lingeongezeka kwa sababu ya 256 ^0.25 (yaani, mizizi ^ya 4 ya 256), au mara 4.

Maisha juu ya Mlolongo Kuu

Miaka mingapi nyota inabaki katika bendi kuu ya mlolongo inategemea masi yake. Unaweza kufikiri kwamba nyota kubwa zaidi, yenye mafuta mengi, ingeendelea muda mrefu, lakini si rahisi. Maisha ya nyota katika hatua fulani ya mageuzi inategemea kiasi gani cha mafuta ya nyuklia ina na jinsi inavyotumia haraka mafuta hayo. (Kwa njia hiyo hiyo, kwa muda gani watu wanaweza kuendelea kutumia pesa hutegemea tu kiasi gani cha fedha wanacho lakini pia jinsi wanavyotumia haraka. Hii ndiyo sababu washindi wengi wa bahati nasibu ambao wanaendelea kutumia sprees haraka upepo maskini tena.) Kwa upande wa nyota, zile kubwa zaidi zinatumia mafuta yao haraka zaidi kuliko nyota za masi ndogo.

Sababu nyota kubwa ni spendthrifts vile ni kwamba, kama tulivyoona hapo juu, kiwango cha fusion kinategemea sana joto la msingi la nyota. Na nini huamua jinsi maeneo ya kati ya nyota yanavyopata? Ni wingi wa nyota-uzito wa tabaka za juu huamua jinsi shinikizo la msingi linapaswa kuwa: molekuli ya juu inahitaji shinikizo la juu ili kuizalisha. Shinikizo la juu, kwa upande wake, linazalishwa na joto la juu. Ya juu ya joto katika mikoa ya kati, kasi ya nyota hupitia ghala lake la hidrojeni kuu. Ingawa nyota kubwa huwa na mafuta mengi zaidi, zinaichoma kwa kiasi kikubwa kiasi kwamba maisha yao ni mafupi sana kuliko yale ya wenzao wa chini. Unaweza pia kuelewa sasa kwa nini nyota kubwa zaidi za mlolongo pia ni zenye kuangaza zaidi. Kama nyota mpya za mwamba zilizo na albamu yao ya kwanza ya platinamu, hutumia rasilimali zao kwa kiwango cha kushangaza.

Maisha makuu ya mlolongo wa nyota za raia tofauti yameorodheshwa katika Jedwali\(\PageIndex{1}\). Jedwali hili linaonyesha kwamba nyota kubwa zaidi hutumia miaka milioni chache tu kwenye mlolongo mkuu. Nyota yenye masi ya jua 1 inabaki pale kwa takribani miaka bilioni 10, wakati nyota yenye masi ya jua 0.4 ina maisha ya mlolongo mkuu wa miaka bilioni 200, ambayo ni ndefu kuliko umri wa sasa wa ulimwengu. (Kumbuka, hata hivyo, kwamba kila nyota inatumia zaidi ya maisha yake ya jumla juu ya mlolongo kuu. Nyota hujitolea wastani wa 90% ya maisha yao kwa kuunganisha kwa amani hidrojeni kuwa heliamu.)

Jedwali\(\PageIndex{1}\): Maisha ya Stars Kuu ya Mlolongo

Aina ya Spectral	Joto la uso (K)	Misa (Misa ya Jua = 1)	Maisha juu ya Mlolongo Kuu (miaka)
O5	54,000	40	Milioni 1
B0	29,200	16	Milioni 10
A0	9600	3.3	Milioni 500
F0	7350	1.7	Bilioni 2.7
G0	6050	1.1	Bilioni 9
K0	5240	0.8	Bilioni 14
M0	3750	0.4	Bilioni 200

Matokeo haya si tu ya maslahi ya kitaaluma. Binadamu waliendelea kwenye sayari inayozunguka nyota ya aina ya G. Hii inamaanisha kuwa maisha ya mlolongo mkuu wa Jua ni ya muda mrefu kiasi kwamba iliwapa maisha duniani muda mwingi wa kufuka. Tunapotafuta maisha ya akili kama yetu kwenye sayari zinazozunguka nyota zingine, itakuwa ni kupoteza muda wa kutafuta nyota za aina ya O- au B. Nyota hizi zinabaki imara kwa muda mfupi kiasi kwamba maendeleo ya viumbe ngumu ya kutosha kuchukua kozi za astronomia haziwezekani sana.

Kutoka Star Kuu ya Mlolongo hadi Red Giant

Hatimaye, hidrojeni yote katika msingi wa nyota, ambapo ni moto wa kutosha kwa athari za fusion, hutumiwa. Kiini halafu kina heliamu tu, “iliyochafuliwa” na asilimia yoyote ndogo ya elementi nzito nyota ilibidi kuanza nayo. Heliamu katika msingi inaweza kufikiriwa kama “majivu” yaliyokusanywa kutoka “kuchomwa” ya nyuklia ya hidrojeni wakati wa hatua kuu ya mlolongo.

Nishati haiwezi kuzalishwa tena na fusion ya hidrojeni katika msingi wa stellar kwa sababu hidrojeni yote imekwenda na, kama tutakavyoona, fusion ya heliamu inahitaji joto la juu sana. Kwa kuwa joto la kati bado halijali juu ya kutosha kuunganisha heli, hakuna chanzo cha nishati nyuklia cha kusambaza joto kwa eneo la kati la nyota. Kipindi cha muda mrefu cha utulivu sasa kinakaribia, mvuto tena unachukua, na msingi huanza mkataba. Mara nyingine tena, nishati ya nyota hutolewa kwa nishati ya mvuto, kwa njia iliyoelezwa na Kelvin na Helmholtz (angalia Vyanzo vya Sunshine: Nishati ya joto na Gravitational). Kama msingi wa nyota unapungua, nishati ya nyenzo zinazoanguka ndani hubadilishwa kuwa joto.

Joto lililozalishwa kwa njia hii, kama joto lote, linapita nje hadi ambapo ni baridi sana. Katika mchakato, joto huwafufua joto la safu ya hidrojeni ambayo ilitumia muda mrefu wa mlolongo kuu nje ya msingi. Kama understudy kusubiri katika mabawa ya hit Broadway show kwa nafasi katika umaarufu na utukufu, hidrojeni hii ilikuwa karibu (lakini si kabisa) moto wa kutosha kupitia fusion na kushiriki katika hatua kuu kwamba kudumisha nyota. Sasa, joto la ziada linalozalishwa na msingi wa kushuka huweka hidrojeni hii “juu ya kikomo,” na ganda la viini vya hidrojeni nje ya msingi huwa moto wa kutosha kwa fusion ya hidrojeni kuanza.

Nishati mpya inayozalishwa na fusion ya hidrojeni hii sasa inamwaga nje kutoka ganda hili na huanza kuwaka tabaka za nyota mbali zaidi, na kusababisha kuzipanua. Wakati huo huo, msingi wa heliamu unaendelea mkataba, huzalisha joto zaidi karibu na hilo. Hii inasababisha fusion zaidi katika shell ya hidrojeni safi nje ya msingi (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Fusion ya ziada inazalisha nishati zaidi, ambayo pia inapita ndani ya safu ya juu ya nyota.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Star Tabaka wakati na baada ya Mlolongo Kuu. (a) Wakati wa mlolongo kuu, nyota ina msingi ambapo fusion hufanyika na bahasha kubwa sana ambayo ni baridi sana kwa fusion. (b) Wakati hidrojeni katika msingi imechoka (iliyofanywa kwa heliamu, sio hidrojeni), msingi unasisitizwa na mvuto na hupunguza. Joto la ziada linaanza fusion ya hidrojeni kwenye safu nje ya msingi. Kumbuka kwamba sehemu hizi za Jua hazipatikani kwa kiwango.

Kwa kweli nyota nyingi zinazalisha nishati zaidi kila sekunde wakati zinafunga hidrojeni katika ganda linalozunguka kiini cha heliamu kuliko zilivyofanya wakati fusion ya hidrojeni ilipofungwa kwenye sehemu ya kati ya nyota; hivyo, zinaongezeka kwa mwangaza. Kwa nishati yote mpya ikimimina nje, tabaka za nje za nyota zinaanza kupanuka, na hatimaye nyota inakua na kukua hadi kufikia idadi kubwa (\(\PageIndex{2}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Jamaa Ukubwa wa Stars. Picha hii inalinganisha ukubwa wa Jua na ile ya Delta Boötis, nyota kubwa, na Xi Cygni, supergiant. Kumbuka kuwa Xi Cygni ni kubwa sana ikilinganishwa na nyota nyingine mbili ambazo sehemu ndogo tu zinaonekana juu ya sura.

Unapochukua kifuniko kwenye sufuria ya maji ya moto, mvuke inaweza kupanua na hupungua. Kwa njia hiyohiyo upanuzi wa tabaka za nje za nyota husababisha halijoto kwenye uso kupungua. Kama inavyozidi, rangi ya jumla ya nyota inakuwa nyekundu. (Tuliona katika Radiation na Spectra kwamba rangi nyekundu inalingana na joto la baridi.)

Kwa hiyo nyota inakuwa nyepesi zaidi na baridi wakati huo huo. Katika mchoro wa H—R, nyota hiyo inaacha bendi kuu ya mlolongo na huenda juu (nyepesi) na kulia (joto la uso wa baridi). Baada ya muda, nyota kubwa huwa nyota zenye rangi nyekundu, na nyota za chini za masi kama Jua huwa giant nyekundu. (Tulijadili kwanza nyota hizo kubwa katika The Stars: Sensa ya Mbinguni; hapa tunaona jinsi nyota hizo “za kuvimba” zinatokea.) Unaweza pia kusema kwamba nyota hizi zina “sifa za kupasuliwa”: vidonda vyao vinaambukizwa wakati tabaka zao za nje zinapanua. (Kumbuka kuwa nyota kubwa nyekundu hazionekani kuwa nyekundu sana; rangi zao ni kama rangi ya machungwa au nyekundu ya machungwa.)

Ni tofauti gani hizi kubwa nyekundu na supergiants kutoka nyota kuu ya mlolongo? Jedwali\(\PageIndex{2}\) linalinganisha Jua na Betelgeuse nyekundu supergiant, ambayo inaonekana juu ya ukanda wa Orion kama nyota nyekundu inayoashiria ubavu wa wawindaji. Kuhusiana na Jua, supergiant hii ina radius kubwa zaidi, wiani wa chini sana, uso wa baridi, na msingi wa moto zaidi.

Jedwali\(\PageIndex{2}\): Kulinganisha Supergiant na Jua

Mali	Sun	Betelgeuse
Misa (2 × 10 ^33 g)	1	16
Radius (km)	700,000	500,000,000
Joto la uso (K)	5,800	3,600
Joto la msingi (K)	15,000,000	160,000,000
Mwangaza (4 × 10 ^26 W)	1	46,000
Wastani wiani (g/cm ^3)	1.4	1.3 × 10 ^—7
Umri (mamilioni ya miaka)	4,500	10

Giants nyekundu inaweza kuwa kubwa sana kwamba kama tungeweza kuchukua nafasi ya Jua na mmoja wao, anga yake ya nje ingekuwa kupanua kwa obiti ya Mars au hata zaidi (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Hii ni hatua inayofuata katika maisha ya nyota inapohamia (kuendelea kufanana kwetu na maisha ya binadamu) kuanzia kipindi chake kirefu cha “ujana” na “utu uzima” hadi “uzee.” (Baada ya yote, wanadamu wengi leo pia wanaona matabaka yao ya nje yanapanuka kidogo wanapokuwa wakubwa.) Kwa kuzingatia umri wa Jua na Betelgeuse, tunaweza pia kuona kwamba wazo kwamba “nyota kubwa hufa kwa kasi” ni kweli hapa. Betelgeuse ni umri wa miaka milioni 10 tu, ambayo ni mdogo ikilinganishwa na miaka bilioni 4.5 ya Jua letu, lakini tayari inakaribia kifo chake kama supergiant nyekundu.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Betelgeuse. Betelgeuse iko katika nyota ya Orion, wawindaji; katika picha sahihi, imewekwa na “X” ya njano karibu na kushoto juu. Katika picha ya kushoto, tunaiona katika ultraviolet na darubini ya Hubble Space, katika picha ya kwanza ya moja kwa moja iliyofanywa kwa uso wa nyota nyingine. Kama inavyoonekana kwa kiwango cha chini, Betelgeuse ina anga iliyopanuliwa kubwa kiasi kwamba, kama ingekuwa katikati ya mfumo wetu wa jua, ingeweza kunyoosha nyuma obiti ya Jupiter.

Mifano ya Mageuzi kwa Hatua kubwa

Kama tulivyojadiliwa hapo awali, wanaastronomia wanaweza kujenga mifano ya kompyuta ya nyota yenye wingi na nyimbo tofauti ili kuona jinsi nyota zinavyobadilika katika maisha yao yote. \(\PageIndex{4}\), ambayo inategemea mahesabu ya kinadharia na mwanaastronomia wa Chuo Kikuu cha Illinois Iko Iben, inaonyesha mchoro wa H—R na nyimbo kadhaa za mageuzi kutoka mlolongo kuu hadi hatua kubwa. Nyimbo zinaonyeshwa kwa nyota zilizo na raia tofauti (kutoka mara 0.5 hadi 15 ukubwa wa Jua letu) na kwa nyimbo za kemikali zinazofanana na ile ya Jua. Mstari mwembamba ni mlolongo wa awali au wa sifuri. Nambari kwenye nyimbo zinaonyesha muda, kwa miaka, unaotakiwa kwa kila nyota kufikia pointi hizo katika mageuzi yao baada ya kuacha mlolongo mkuu. Mara nyingine tena, unaweza kuona kwamba nyota kubwa zaidi ni, haraka zaidi inapita kupitia kila hatua katika maisha yake.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Mabadiliko Tracks ya Stars ya Misa mbalimbali. Mstari mweusi mweusi unaonyesha mageuzi yaliyotabiriwa kutoka kwa mlolongo mkuu kupitia hatua kubwa nyekundu au supergiant kwenye mchoro wa H - R. Kila wimbo umeandikwa kwa wingi wa nyota unayoelezea. Nambari zinaonyesha miaka mingapi kila nyota inachukua kuwa kubwa baada ya kuacha mlolongo mkuu. Mstari mwembamba ni mlolongo wa umri wa sifuri.

Kumbuka kuwa nyota kubwa zaidi katika mchoro huu ina masi inayofanana na ile ya Betelgeuse, na hivyo wimbo wake wa mageuzi unaonyesha takriban historia ya Betelgeuse. Ufuatiliaji wa nyota ya molekuli ya jua 1 inaonyesha kwamba Jua bado liko katika awamu kuu ya mlolongo wa mageuzi, kwani lina umri wa miaka bilioni 4.5 tu. Itakuwa mabilioni ya miaka kabla ya Jua kuanza “kupanda” yake mbali na mlolongo kuu—upanuzi wa tabaka zake za nje ambazo zitaifanya kuwa giant nyekundu.

Dhana muhimu na Muhtasari

Wakati nyota zinapoanza kuunganisha hidrojeni kwa heliamu, zinalala kwenye mlolongo mkuu wa umri wa sifuri. Kiasi cha muda nyota hutumia katika hatua kuu ya mlolongo inategemea wingi wake. Nyota kubwa zaidi zinamaliza kila hatua ya mageuzi haraka zaidi kuliko nyota za chini. Fusion ya hidrojeni kuunda heliamu hubadilisha muundo wa ndani wa nyota, ambayo husababisha mabadiliko katika joto lake, mwanga, na radius. Hatimaye, kama nyota umri, wao kubadilika mbali na mlolongo kuu kuwa giant nyekundu au supergiants. Msingi wa giant nyekundu ni kuambukizwa, lakini tabaka za nje zinapanua kama matokeo ya fusion ya hidrojeni katika shell nje ya msingi. Nyota inapata kubwa, nyekundu, na yenye kung'aa zaidi kama inapanuka na kupoza.

faharasa

mlolongo wa umri wa sifuri

mstari unaoashiria mlolongo kuu kwenye mchoro wa H - R kwa mfumo wa nyota ambazo zimekamilisha contraction yao kutoka suala la interstellar na sasa hupata nishati zao zote kutoka kwa athari za nyuklia, lakini kemikali ambazo hazijabadilishwa kwa kiasi kikubwa na athari za nyuklia