Перенос энергии в звездах

Энергия, генерируемая в ядре звезды, должна перемещаться к поверхности, и то, происходит ли это главным образом за счет диффузии излучения или за счет объемного перемешивания конвекции, определяет структуру звезды и ее наблюдаемые свойства.

Definition

Перенос энергии — это совокупность физических процессов, главным образом лучистой диффузии, конвекции и теплопроводности, посредством которых энергия, высвобождающаяся во внутренней части звезды, переносится наружу для излучения с поверхности.

Scope

Тема охватывает лучистую диффузию и роль непрозрачности (опасити), лучистый температурный градиент, критерии Шварцшильда и Леду, определяющие начало конвекции, теорию длины перемешивания как практическое описание конвективного переноса тепла, а также гораздо меньшую роль теплопроводности, за исключением вырожденного вещества.

Core questions

• Как энергия переносится из ядра звезды к ее поверхности?
• Что определяет, переносит ли область энергию излучением или конвекцией?
• Как непрозрачность контролирует поток излучения через звездное вещество?
• Почему конвективные зоны возникают там, где они возникают, в звездах разной массы?

Key concepts

• лучистая диффузия
• непрозрачность (опасити)
• лучистый градиент
• критерий Шварцшильда
• конвекция
• теория длины перемешивания
• адиабатический градиент

Key theories

Лучистая диффузия и непрозрачность

В лучистых областях энергия диффундирует наружу, поскольку фотоны многократно поглощаются и переизлучаются; температурный градиент, необходимый для переноса потока, масштабируется с непрозрачностью — сопротивлением звездного вещества излучению, которое зависит от состава, температуры и плотности.

Начало конвекции и теория длины перемешивания

Когда лучистый градиент, необходимый для переноса потока, превышает адиабатический градиент, газ становится неустойчивым к конвекции и перемешивается; теория длины перемешивания параметризует результирующий перенос тепла, рассматривая поднимающиеся и опускающиеся газовые пузыри, которые проходят характерное расстояние, прежде чем раствориться.

Mechanisms

Фотоны переносят энергию наружу посредством случайного блуждания через непрозрачный звездный газ, при этом необходимый температурный градиент определяется непрозрачностью. Там, где этот градиент становится слишком крутым для стабильности, горячие порции газа поднимаются, а холодные опускаются, эффективно перенося тепло посредством конвекции и перемешивая состав этой области.

Clinical relevance

Расположение и протяженность конвективных зон определяют поверхностное содержание элементов, звездную активность и магнетизм, истощение лития и перемешивание, питающее ядерное горение, и являются основным источником неопределенности в звездных моделях, которые астеросейсмология теперь стремится уточнить.

History

Эддингтон в 1920-х годах установил центральную роль лучистого переноса в структуре звезд, Шварцшильд сформулировал критерий конвективной неустойчивости, а разработанная в середине XX века формулировка длины перемешивания, уточненная Бёмом-Витензе, придала конвекции поддающуюся расчету форму, до сих пор используемую в современных звездных моделях.

Debates

Описание конвекции в звездных моделях

Теория длины перемешивания — это однопараметрическое приближение к изначально трехмерному, турбулентному процессу; калибровка длины перемешивания и описание конвективного перескока и границ остаются неопределенными, и для их проверки и улучшения используются трехмерные гидродинамические симуляции.

Key figures

• Arthur Eddington
• Karl Schwarzschild
• Erika Bohm-Vitense
• Ludwig Biermann

Seminal works

• eddington1926
• kippenhahn2012

Frequently asked questions

Почему Солнце внутри лучистое, а вблизи поверхности конвективное?

В глубоких недрах Солнца излучение может переносить энергию наружу с умеренным температурным градиентом, но в более холодных внешних слоях непрозрачность высока, и градиент, необходимый для излучения, превышает порог неустойчивости, поэтому внешняя треть Солнца конвективно перемешивается.

Что такое непрозрачность и почему она важна?

Непрозрачность измеряет, насколько сильно звездное вещество поглощает и рассеивает излучение; высокая непрозрачность затрудняет выход фотонов, что приводит к более крутому температурному градиенту и, если он достаточно крут, вызывает конвекцию, поэтому непрозрачность является ключевым параметром, контролирующим структуру звезды.