การถ่ายเทพลังงานในดาวฤกษ์

พลังงานที่เกิดขึ้นในแกนกลางของดาวฤกษ์จะต้องเดินทางออกสู่พื้นผิว และไม่ว่าพลังงานนั้นจะเคลื่อนที่โดยการแพร่รังสีเป็นหลัก หรือโดยการหมุนวนแบบพาความร้อน ก็จะส่งผลต่อโครงสร้างและคุณสมบัติที่สังเกตได้ของดาวฤกษ์

Definition

การถ่ายเทพลังงานคือชุดของกระบวนการทางกายภาพ โดยหลักคือการแพร่รังสี, การพาความร้อน, และการนำความร้อน ซึ่งพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาภายในดาวฤกษ์จะถูกนำพาออกไปสู่ภายนอกเพื่อแผ่รังสีออกจากพื้นผิว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการแพร่รังสีและบทบาทของความทึบแสง, การไล่ระดับอุณหภูมิเชิงรังสี, เกณฑ์ของ Schwarzschild และ Ledoux ที่ตัดสินว่าการพาความร้อนจะเกิดขึ้นที่ใด, ทฤษฎีความยาวผสม (mixing-length theory) ซึ่งเป็นคำอธิบายเชิงปฏิบัติของการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน, และบทบาทที่น้อยกว่ามากของการนำความร้อน ยกเว้นในสสารเสื่อมสภาพ (degenerate matter)

Core questions

• พลังงานถูกนำพาจากแกนกลางของดาวฤกษ์ไปยังพื้นผิวได้อย่างไร?
• อะไรเป็นตัวกำหนดว่าบริเวณใดจะถ่ายเทพลังงานโดยการแผ่รังสีหรือโดยการพาความร้อน?
• ความทึบแสงควบคุมการไหลของรังสีผ่านสสารของดาวฤกษ์ได้อย่างไร?
• เหตุใดเขตการพาความร้อนจึงเกิดขึ้นในตำแหน่งที่แตกต่างกันในดาวฤกษ์ที่มีมวลต่างกัน?

Key concepts

• การแพร่รังสี
• ความทึบแสง
• การไล่ระดับรังสี
• เกณฑ์ของ Schwarzschild
• การพาความร้อน
• ทฤษฎีความยาวผสม
• การไล่ระดับอะเดียแบติก

Key theories

การแพร่รังสีและความทึบแสง

ในบริเวณที่มีการแผ่รังสี พลังงานจะแพร่ออกไปด้านนอกในรูปของโฟตอนที่ถูกดูดซับและปล่อยออกมาซ้ำๆ; การไล่ระดับอุณหภูมิที่จำเป็นในการนำพาฟลักซ์จะแปรผันตามความทึบแสง ซึ่งเป็นความต้านทานของสสารดาวฤกษ์ต่อรังสี และขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ อุณหภูมิ และความหนาแน่น

การเริ่มต้นของการพาความร้อนและทฤษฎีความยาวผสม

เมื่อการไล่ระดับรังสีที่จำเป็นในการนำพาฟลักซ์เกินกว่าการไล่ระดับอะเดียแบติก ก๊าซจะกลายเป็นไม่เสถียรต่อการพาความร้อนและเกิดการพลิกกลับ; ทฤษฎีความยาวผสมจะกำหนดพารามิเตอร์การถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นโดยการพิจารณากลุ่มก๊าซที่ลอยขึ้นและจมลงซึ่งเคลื่อนที่ไปในระยะทางลักษณะเฉพาะก่อนที่จะสลายตัว

Mechanisms

โฟตอนนำพาพลังงานออกไปโดยการเคลื่อนที่แบบสุ่มผ่านก๊าซดาวฤกษ์ที่ทึบแสง โดยมีการไล่ระดับอุณหภูมิที่จำเป็นซึ่งกำหนดโดยความทึบแสง เมื่อการไล่ระดับนี้ชันเกินไปสำหรับความเสถียร กลุ่มก๊าซร้อนจะลอยขึ้นและกลุ่มก๊าซเย็นจะจมลง ซึ่งเป็นการถ่ายเทความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพโดยการพาความร้อนและผสมองค์ประกอบของบริเวณนั้น

Clinical relevance

ตำแหน่งและขอบเขตของเขตการพาความร้อนควบคุมปริมาณธาตุบนพื้นผิว, กิจกรรมของดาวฤกษ์และสนามแม่เหล็ก, การพร่องของลิเทียม, และการผสมที่หล่อเลี้ยงการเผาไหม้ของนิวเคลียร์ และเป็นแหล่งความไม่แน่นอนที่สำคัญในแบบจำลองดาวฤกษ์ที่ปัจจุบันวิชาดาราศาสตร์แผ่นดินไหว (asteroseismology) พยายามจำกัดขอบเขต

History

เอ็ดดิงตัน (Eddington) ได้กำหนดให้การถ่ายเทรังสีเป็นหัวใจสำคัญของโครงสร้างดาวฤกษ์ในทศวรรษ 1920, ชวาร์ซชิลด์ (Schwarzschild) ได้กำหนดเกณฑ์สำหรับความไม่เสถียรของการพาความร้อน, และการกำหนดสูตรความยาวผสมในช่วงกลางศตวรรษที่ยี่สิบ ซึ่งได้รับการปรับปรุงโดยโบห์ม-วิเทนเซ (Bohm-Vitense) ทำให้การพาความร้อนมีรูปแบบที่สามารถจัดการได้และยังคงใช้ในแบบจำลองดาวฤกษ์สมัยใหม่

Debates

การจัดการการพาความร้อนในแบบจำลองดาวฤกษ์

ทฤษฎีความยาวผสมเป็นการประมาณค่าพารามิเตอร์เดียวสำหรับกระบวนการที่ซับซ้อนแบบสามมิติและปั่นป่วนโดยธรรมชาติ; การสอบเทียบความยาวผสมและการจัดการการพาความร้อนเกินขอบเขต (convective overshooting) และขอบเขตยังคงมีความไม่แน่นอน และมีการใช้การจำลองพลศาสตร์ของไหลแบบสามมิติเพื่อทดสอบและปรับปรุงสิ่งเหล่านี้

Key figures

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

Seminal works

• eddington1926
• kippenhahn2012

Frequently asked questions

เหตุใดดวงอาทิตย์จึงมีการแผ่รังสีภายใน แต่มีการพาความร้อนใกล้พื้นผิว?

ในส่วนลึกภายในของดวงอาทิตย์ การแผ่รังสีสามารถนำพาพลังงานออกไปด้านนอกได้ด้วยการไล่ระดับอุณหภูมิที่ไม่มากนัก แต่ในชั้นนอกที่เย็นกว่า ความทึบแสงสูงและการไล่ระดับที่จำเป็นสำหรับการแผ่รังสีเกินกว่าเกณฑ์ความไม่เสถียร ดังนั้นหนึ่งในสามส่วนนอกของดวงอาทิตย์จึงเกิดการพลิกกลับแบบพาความร้อน

ความทึบแสงคืออะไรและเหตุใดจึงมีความสำคัญ?

ความทึบแสงวัดว่าสสารของดาวฤกษ์ดูดซับและกระจายรังสีได้แรงเพียงใด; ความทึบแสงสูงทำให้โฟตอนหลุดออกไปได้ยากขึ้น บังคับให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิที่ชันขึ้น และหากชันพอ ก็จะกระตุ้นให้เกิดการพาความร้อน ดังนั้นความทึบแสงจึงเป็นปัจจัยสำคัญที่ควบคุมโครงสร้างของดาวฤกษ์