Warum ist die Energiefreisetzung beim He-Blitz in Sternen fast explosiv?

Kurze Antwort: Es ist eine Kombination aus (1) der Zündung, die in einem elektronenentarteten, isothermen Kern auftritt, in dem die Zustandsgleichung temperaturunabhängig ist; und (2) die extreme Temperaturabhängigkeit der Dreifach-Alpha-He-Fusionsreaktion.

Einzelheiten:

Der Heliumblitz tritt an der Spitze des Erstaufstiegs des Roten Riesen in Sternen mit Massen zwischen 0,5 und etwa 2 Sonnenmassen auf. An diesem Punkt besteht der Stern aus einem Heliumkern, der von einer heftig brennenden Wasserstoffhülle umgeben ist, die von einer sehr großen konvektiven Hülle umgeben ist.

Der Kern ist das Überbleibsel der Kernwasserstoffverbrennung, ergänzt durch Helium, das durch die Wasserstoffhüllenverbrennung erzeugt wird, die übernimmt, sobald der Kernwasserstoff erschöpft ist. Der Radius des inerten Kerns schrumpft von seiner Hauptsequenzgröße, da er mehr Masse pro Partikel hat und daher an Dichte zunehmen muss, um den Druck aufrechtzuerhalten. Dabei verlangt der Virialsatz, dass es auch heißer wird. Beim Brennen der Hülle tropft immer mehr He in den Kern, der Kern schrumpft weiter und wird heißer.

Bei Sternen > 2 Sonnenmassen wird der Kern heiß genug, um Helium im Triple-Alpha-Prozess zu entzünden. Dadurch steigt die Kerntemperatur, aber nicht massiv, denn gleichzeitig steigt der Druck , der Kern dehnt sich kräftig aus und die Wasserstoff brennende Hülle wird nach außen gedrückt und erlischt.

Bei einem masseärmeren Stern ist das anders. Die Dichte des He-Kerns steigt bis zu dem Punkt, an dem die Kernelektronen entartet werden. Der Elektronenentartungsdruck (EDP) dominiert den Gesamtdruck des Gases und entsteht, weil die Elektronen bei ausreichend hoher Dichte alle niederenergetischen Quantenzustände füllen. EDV hängt nur von der Dichte ab, nicht von der Temperatur.

Ein EDV-unterstützter Kern wird kleiner und dichter, je massiver er ist, also degenerierter, wenn He-Asche darauf getropft wird. Aber es sitzt auch in einer enorm leuchtenden H-Brennhülle, die es erhitzt. Bei Sternen mit mehr als 0,5 Sonnenmassen wird der Kern schließlich heiß genug ($\sim 10^{8}$K) um das He zu entzünden. Da entartete Elektronen extrem leitfähig sind, ist der Kern nahezu isotherm, sodass sich die Zündung schnell durch den Kern ausbreitet. Dies erhöht die Kerntemperatur, aber entscheidend nicht den Kerndruck (EDP ist unabhängig von der Temperatur und, wie Ken G in seiner Antwort erklärt, wird die meiste Wärme von den nicht entarteten Ionen absorbiert, die kaum zum Druck beitragen). Es wird nur heißer und die He-Fusion nimmt massiv zu , weil sie sehr temperaturempfindlich ist (ungefähr proportional zu$T^{40}$!!). Dieser außer Kontrolle geratene Prozess wird als "Heliumblitz" bezeichnet.

Schließlich steigt die Temperatur weit genug (auf ca$3\times10^{8}$K) Um die Elektronenentartung zu brechen, dehnt sich der Kern schnell aus, die H-Schale wird ausgelöscht und die Kernhelligkeit sinkt.

Helium ist chemisch inert, aber unter den Bedingungen, die im Kern eines Sterns oder auf der Oberfläche eines akkretierenden Weißen Zwergs herrschen, neigt Helium zur Fusion. Das Helium ist entartet, was bedeutet, dass die Struktur des Heliumkerns/Weißen Zwergs nicht durch die Temperatur unterstützt wird, was bedeutet, dass die während der Fusion erzeugte Energie nicht dazu führt, dass sich der Kern ausdehnt, wie es der Fall wäre, wenn er durch thermische Energie unterstützt würde. Dieser Mangel an Expansion bedeutet, dass die Fusion in der Lage ist, durchzubrennen und den gesamten Kern zu verbrauchen, wodurch sehr schnell enorme Mengen an Energie erzeugt werden.

Wenn es passiert, muss es einen Kern aus entarteter Materie geben. Wenn die Masse des Sterns größer als ca$2.5M_{\odot}$, wird der Heliumkern nicht degenerieren, bevor er zu schmelzen beginnt, so dass es keinen Heliumblitz gibt. Im Fall von Weißen Zwergen ist das Helium bereits entartet, so dass solange die Akkretion andauert, der Druck aufgebaut wird, bis der He-Blitz auftritt.

Das ist vielleicht keine gute Erklärung, aber im Kern geht es darum, dass Sterne, die heißer werden, obwohl sie mit der Zeit weniger dicht werden, durch die zusätzliche Wärme den Fusionsprozess beschleunigen. Die Heliumfusion kann nur bei etwa 100 Millionen Grad stattfinden. Die Temperatur im Kern unserer Sonne beträgt 15 Millionen Grad – durch die Fusion von Wasserstoff und Deuterium wird ständig neue Energie erzeugt, aber Energie strahlt auch aus, sodass sie sich langsam erwärmt und der Kern niemals 100 Millionen Grad erreichen wird, bis er zusammenbricht und die Heliumfusion beginnt.

Sobald die Heliumfusion beginnt, steigt die Hitze und das hilft, den Fusionsprozess am Laufen zu halten.

2 Dinge zu beachten. 1, wenn die Sonne einen entarteten Heliumkern hat, wird sie immer noch Wasserstoff um den Kern herum haben, der am Rand brennt. Wenn sie also in den Heliumblitz eintritt und sich zu einem roten Riesen ausdehnt, ist es zu diesem Zeitpunkt eine Kombination aus Helium- und Wasserstofffusion.

2, Wasserstofffusion ist selten. etwa 99,9999 % der Zeit, wenn sich 2 Protonen treffen, teilen sie sich einfach wieder auf. Die Proton-Proton-Fusion ist wie 2 schüchterne Leute in einer Kneipe - meistens, auch wenn sie aufeinander prallen, kommt oft keine Verbindung zustande. Es ist nur 1 von einer Million Wechselwirkungen, bei denen die 2 Protonen zu einem Deuterium und einem Positron werden - das Positron trifft schnell auf ein Elektron, aber die Proton-Proton-Wechselwirkung ist zögerlicher. Helium-Helium, so wie ich es verstehe, ist weniger zögerlich, den Fusionsübergang im CNO-Zyklus zu durchlaufen, sobald die Temperatur hoch genug ist. Wenn es also einmal anfängt, kann es schneller passieren.

Wenn das falsch ist, lass es mich wissen. Das ist mein Verständnis des Prozesses in Laienbegriffen.

Es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, dass sich ein Plasma, das durch den Druck entarteter Elektronen unterstützt wird, nicht ausdehnt, wenn ihm Wärme zugeführt wird. Dies ist falsch, es würde eine grundlegende Verletzung des Virialsatzes darstellen. Wenn entweder einem idealen Gas oder einem entarteten Gas Wärme zugeführt wird, ist die Ausdehnung genau gleich, wenn beide nichtrelativistisch sind, da die Ausdehnung (und übrigens der Druck) nur von der Zunahme der inneren kinetischen Energie abhängt. Dies gilt für entartetes Gas ebenso wie für ideales Gas, die Unterscheidung betrifft dort das Temperaturverhalten, nicht das Druckverhalten. Dies ist ein so weit verbreitetes Missverständnis, dass ich fast daran verzweifle, es zu beheben!

Durch einen Prozess von bemerkenswerter Eleganz, der leider übersehen wird, passiert bei einem Heliumblitz tatsächlich, dass, wenn Wärme einem Gas zugeführt wird, das durch den Druck entarteter Elektronen unterstützt wird, all diese Wärme in die Erhöhung der Temperatur der Ionen fließt, genau wie wird normalerweise behauptet. Es ist jedoch völlig falsch, dass sich das Gas nicht ausdehnt – stattdessen bewirkt die zugeführte Wärme eine Verringerung der Entartung der Elektronen, die genau die gleiche Ausdehnung und Expansionsarbeit erzeugt, die das Hinzufügen derselben Wärme zu einem idealen Gas bewirken würde . Das ist der Virialsatz. Das bedeutet also, dass sich das Gas ausdehnt, aber die gesamte Arbeit zur Unterstützung dieser Ausdehnung kommt von der kinetischen Energie der Elektronen, die Ionen können ungehindert die gesamte zugeführte Wärme aufnehmen. Der Grund, warum die Ionen die Wärme erhalten, ist, dass sie eine viel höhere spezifische Wärme haben, weil sie nicht entartet sind (ihre Temperatur steigt viel langsamer an, wenn Wärme hinzugefügt wird), und die Spezies mit der höheren spezifischen Wärme erhält immer den proportional höheren Anteil an der zusätzliche Hitze! SoDas ist es, was das thermonukleare Durchgehen verursacht, es ist nicht so, dass die Ausdehnung fehlt , es ist so, dass die Ausdehnung für die Temperatur irrelevant ist , wenn die Elektronen entartet sind. Die Ausdehnung ist die gleiche wie bei einem idealen Gas bei einer gegebenen hinzugefügten Wärme.

Die Art zu sagen, dass die übliche Erklärung des Heliumblitzes, die Sie überall finden, falsch ist, besteht darin, dass Sie in der üblichen Erklärung erwarten sollten, dass ein thermonukleares Durchgehen auftritt, selbst wenn die Anzahl und Masse der Ionen gleich wäre wie die Elektronen. Wenn Sie glauben, dass es passiert, weil es keine Expansion von entartetem Gas gibt, gibt es natürlich kein Problem, wenn die Ionen genauso entartet sind wie die Elektronen. Tatsächlich würde es dann aber zu keinem thermonuklearen Durchgehen kommen, denn dann würde die Expansion den Ionen ebenso wie den Elektronen kinetische Energie rauben. Wenn die Ionen nicht weniger entartet sind, haben sie nicht die höhere spezifische Wärme, die es ihnen erlaubt, den Löwenanteil der hinzugefügten Wärme zu verschlingen. Die innere Energie des Gases würde sich genauso verhalten wie bei idealen Gasen,