Перенесення енергії в зорях

Енергія, що генерується в ядрі зорі, повинна рухатися назовні до поверхні, і те, чи відбувається це головним чином шляхом дифузії випромінювання або шляхом об'ємного перемішування конвекції, формує структуру зорі та її спостережувані властивості.

Definition

Перенесення енергії — це сукупність фізичних процесів, головним чином радіаційної дифузії, конвекції та теплопровідності, за допомогою яких енергія, що вивільняється в надрах зорі, переноситься назовні для випромінювання з поверхні.

Scope

Тема охоплює радіаційну дифузію та роль непрозорості, радіаційний температурний градієнт, критерії Шварцшильда та Леду, які визначають, де починається конвекція, теорію довжини перемішування як практичний опис конвективного теплопереносу, а також значно меншу роль теплопровідності, за винятком виродженої матерії.

Core questions

• Як енергія переноситься від ядра зорі до її поверхні?
• Що визначає, чи переносить область енергію випромінюванням чи конвекцією?
• Як непрозорість контролює потік випромінювання крізь зоряну матерію?
• Чому конвективні зони виникають там, де вони є, у зір різної маси?

Key concepts

• радіаційна дифузія
• непрозорість
• радіаційний градієнт
• критерій Шварцшильда
• конвекція
• теорія довжини перемішування
• адіабатичний градієнт

Key theories

Радіаційна дифузія та непрозорість

У радіаційних областях енергія дифундує назовні, оскільки фотони багаторазово поглинаються та перевипромінюються; температурний градієнт, необхідний для перенесення потоку, масштабується з непрозорістю, опором зоряної матерії випромінюванню, який залежить від складу, температури та густини.

Початок конвекції та теорія довжини перемішування

Коли радіаційний градієнт, необхідний для перенесення потоку, перевищує адіабатичний градієнт, газ стає нестабільним до конвекції та перевертається; теорія довжини перемішування параметризує отриманий теплоперенос, розглядаючи висхідні та спадні газові згустки, які проходять характерну відстань перед розчиненням.

Mechanisms

Фотони переносять енергію назовні шляхом випадкового блукання крізь непрозорий зоряний газ, при цьому необхідний температурний градієнт встановлюється непрозорістю. Там, де цей градієнт стає занадто крутим для стабільності, гарячі ділянки газу піднімаються, а холодні опускаються, ефективно переносячи тепло конвекцією та перемішуючи склад цієї області.

Clinical relevance

Розташування та протяжність конвективних зон визначають поверхневий вміст елементів, зоряну активність та магнетизм, виснаження літію та перемішування, що живить ядерне горіння, і вони є основним джерелом невизначеності в зоряних моделях, які астеросейсмологія тепер прагне обмежити.

History

Еддінгтон встановив радіаційний перенос як центральний для зоряної структури в 1920-х роках, Шварцшильд сформулював критерій конвективної нестабільності, а формулювання довжини перемішування середини ХХ століття, уточнене Бьом-Вітензе, надало конвекції керовану форму, яка досі використовується в сучасних зоряних моделях.

Debates

Розгляд конвекції в зоряних моделях

Теорія довжини перемішування — це однопараметрична апроксимація за своєю суттю тривимірного, турбулентного процесу; калібрування довжини перемішування та розгляд конвективного перевищення та меж залишаються невизначеними, і для їх перевірки та покращення використовуються тривимірні гідродинамічні симуляції.

Key figures

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

Seminal works

• eddington1926
• kippenhahn2012

Frequently asked questions

Чому Сонце всередині радіаційне, але поблизу поверхні конвективне?

У глибоких надрах Сонця випромінювання може переносити енергію назовні з помірним температурним градієнтом, але в холодніших зовнішніх шарах непрозорість висока, і градієнт, необхідний для випромінювання, перевищує поріг нестабільності, тому зовнішня третина Сонця конвективно перевертається.

Що таке непрозорість і чому вона важлива?

Непрозорість вимірює, наскільки сильно зоряна матерія поглинає та розсіює випромінювання; висока непрозорість ускладнює вихід фотонів, змушуючи створювати крутіший температурний градієнт і, якщо він достатньо крутий, викликаючи конвекцію, тому непрозорість є ключовим вхідним параметром, що контролює структуру зорі.