Wie wird der hydrostatische Druck überwunden, wenn ein Stern entsteht?

Die Antwort liegt in dem sogenannten Virialtheorem und der Tatsache, dass die Kontraktion einer Gaswolke/eines Protosterns nicht adiabat ist – beim Schrumpfen wird Wärme abgestrahlt.

Sie haben Recht, eine Wolke, die sich im Gleichgewicht befindet, hat eine Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck in ihrem Inneren und dem nach innen drückenden Gravitations-"Gewicht". Diese Beziehung ist im Virialsatz zusammengefasst, der besagt (ohne Komplikationen wie Rotation und Magnetfelder), dass die doppelte summierte kinetische Energie von Teilchen ($K$) im Gas plus der (negativen) Gravitationspotentialenergie ($\Omega$) ist gleich Null.

$$2K + \Omega = 0$$

Jetzt können Sie die Gesamtenergie der Wolke aufschreiben als

$$E_{tot} = K + \Omega$$ und damit aus dem Virialsatz, dass $$E_{tot} = \frac{\Omega}{2},$$ was negativ ist.

Entziehen wir dem System nun Energie, indem wir dem Gas erlauben, Energie abzustrahlen, so dass$\Delta E_{tot}$negativ ist , dann sehen wir das

$$\Delta E_{tot} = \frac{1}{2} \Delta \Omega$$

So$\Omega$negativer wird - was eine andere Art zu sagen ist, dass der Stern eine stärker kollabierte Konfiguration erreicht.

Seltsamerweise können wir das gleichzeitig mit dem Virialsatz sehen

$$\Delta K = -\frac{1}{2} \Delta \Omega = -\Delta E_{tot}$$ ist positiv . dh die kinetischen Energien der Teilchen im Gas (und damit ihre Temperaturen) werden tatsächlich heißer. Mit anderen Worten, das Gas hat eine negative Wärmekapazität. Da die Temperaturen und Dichten höher werden, steigt der Innendruck und kann möglicherweise eine kondensiertere Konfiguration unterstützen. Wenn jedoch die Strahlungsverluste anhalten, dann auch der Kollaps.

Dieser Prozess wird in einem Stern schließlich durch die einsetzende Kernfusion gestoppt, die die Energie liefert, die an der Oberfläche (oder durch Neutrinos aus dem Inneren) durch Strahlung verloren geht.

Der entscheidende Punkt ist also, dass es zwangsläufig zum Kollaps kommt, wenn Energie aus dem Protostern entweicht. Aber warmes Gas strahlt. Die Effizienz, mit der dies geschieht, variiert mit Temperatur und Zusammensetzung und erfolgt überwiegend im Infrarot- und Sub-mm-Bereich des Spektrums – durch molekulare Schwingungs- und Rotationsübergänge. Die infrarote Leuchtkraft von Protosternen deutet darauf hin, dass dieser Zusammenbruch auf einer anfänglichen Zeitskala von weniger als einer Million Jahren stattfindet, und diese Zeitskala wird dadurch bestimmt, wie effizient Energie aus dem System entfernt werden kann.

Wenn Gaswolken kollabieren, nehmen sie an innerer Energie (gemessen durch Temperatur) zu. Dies ist ein Teil dessen, was dazu führt, dass ihr Druck zunimmt. Mit zunehmender Temperatur erhöhen sie jedoch auch die Menge an Strahlung, die sie emittieren. Wenn sie Strahlung abgeben, nimmt ihre innere Energie ab und damit auch ihr Druck, was einen weiteren Kollaps ermöglicht.

Dies lässt den Anschein erwecken, als würde die Temperatur sinken, aber es stellt sich heraus, dass die beteiligte Physik es so macht, dass, wenn innere Energie aus einer kollabierenden Gaswolke entfernt wird (durch Abstrahlen der Energie), die Menge an Gravitationsenergie, die in innere umgewandelt wird Energie ist größer als die abgestrahlte innere Energie. Somit steigt die Temperatur, wenn die Gaswolke kollabiert, obwohl der Kollaps stattfindet, weil Energie abgestrahlt wird. Auf diese Weise kann man davon ausgehen, dass kollabierende Gaswolken eine negative spezifische Wärme haben: Das Entfernen von Energie aus dem System erhöht aufgrund der freigesetzten Gravitationsenergie tatsächlich die Temperatur.

Für eine gleichmäßige, kugelförmige Verteilung der Masse (Gas- und Staubwolke) des Radius$R$und Masse$M$in Abwesenheit von Magnetfeldern, Strahlungsfeldern usw. haben wir$dm = 4\pi \rho r^2 dr$und die potentielle Energie einer Kugelschale mit Innenradius$r$und außen$r + d r$ist$dU = -G\frac{m(r)dm}{r}$,$m(r) = \frac{4}{3}\rho r^3$, und eine einfache Integration ergibt

$$U(r) = -\frac{3}{5} \frac{GM^2}{R}.$$ Für den Zusammenbruch einer Massenverteilung gilt nach dem Virialsatz $2K + U <0$, mit $K$die kinetische Energie der Masse, hauptsächlich aufgrund der thermischen Bewegung, dh $K = \frac{3}{2} NkT$, wo $N$ist die Anzahl der Moleküle. Wenn wir die Masse der Wolke ausdrücken als $M = N \mu$mit $\mu$die mittlere Masse der Moleküle, dann wird die vorherige Ungleichung für die Wolke zum Kollabieren $$M> M_{\text{Jeans}}, \quad M_{\text{Jeans}} \equiv \left( \frac{5kT}{G\mu} \right)^{3/2} \left( \frac{3}{4\pi \rho} \right)^{1/2},$$

die Bedingung, die das Jeans-Limit für die Masse einer Wolke beinhaltet. Aus dieser Ungleichheit geht hervor, dass dichte und kalte Wolken leichter kollabieren und einen Stern bilden.

Die Gleichung, die den Druck und die Dichte in Beziehung setzt, ist als Zustandsgleichung bekannt; es ist im Allgemeinen unbekannt.

Das Geheimnis besteht darin, die Wärme hauptsächlich durch Strahlung abzuführen. Dafür braucht man aber Staub oder „Metalle“, da H und He allein sehr ineffizient strahlen. Paradoxerweise ist es nicht so einfach, vollständig genug zusammenzubrechen.

(Übrigens gibt es für dunkle Materie keine mögliche Strahlung, um Energie zu zerstreuen, wodurch sie verschwommen und viel weniger konzentriert bleibt als gewöhnliche Materie.)

Nebel – Ein Emissionsnebel ist ein Nebel, der aus ionisierten Gasen besteht, die Licht verschiedener Wellenlängen emittieren. Die häufigste Ionisierungsquelle sind hochenergetische ultraviolette Photonen, die von einem nahe gelegenen heißen Stern emittiert werden. Ein planetarischer Nebel, abgekürzt als PN oder Plural PNe, ist eine Art Emissionsnebel, der aus einer sich ausdehnenden, leuchtenden Hülle aus ionisiertem Gas besteht, das von einem Roten Riesen ausgestoßen wird Sterne spät in ihrem Leben. Der Begriff „planetarischer Nebel“ ist eine falsche Bezeichnung, da sie nichts mit Planeten oder Exoplaneten zu tun haben. Ein Emissionsnebel ist ein Nebel, der aus ionisierten Gasen besteht, die Licht verschiedener Wellenlängen emittieren. Die häufigste Ionisationsquelle sind hochenergetische ultraviolette Photonen, die von einem nahe gelegenen heißen Stern emittiert werden. Die Ionen bewegen sich im Gas und zwingen die Atome im Gas, Elektronen aufzunehmen oder abzugeben, was zur Ionisierung dieser Gase führt. Ein Reflexionsnebel ist eine Wolke aus interstellarem Gas und Staub, die das Licht anderer Sterne reflektiert. Dies geschieht in der Umgebung von Sternen, die nicht heiß genug sind, um die Wasserstoffatome der Wolke anzuregen (Schwarze Zwerge) (wie es bei Emissionsnebeln der Fall ist, die Licht aussenden und nicht nur das Licht von Sternen reflektieren). Ein Dunkelnebel oder Absorptionsnebel ist eine Art interstellare Wolke, die so dicht ist, dass sie die sichtbaren Wellenlängen des Lichts von dahinter liegenden Objekten wie Hintergrundsternen und Emissions- oder Reflexionsnebeln verdeckt. Die Nebel ziehen sich aufgrund ihrer Gravitationskräfte gegenseitig an und bilden Gasklumpen bekannt als Protosterne. Diese Kraft (Schwerkraftpotential) ändert sich in Wärmeenergie. Über Millionen von Jahren gewinnen die Gase genug Wärme, um den Prozess der Fusion von Wasserstoff zu starten, der im gesamten Protostern verteilt ist. Die Gasschichten üben Druck auf das Zentrum aus, das der Kern ist, und daher ist der Kern heiß. Da der Kern unter Druck steht, zieht er sich zusammen und die Atome kommen näher. Diese Atome kollidieren miteinander und gewinnen Energie (Kollisionen makroskopischer Körper, ein Teil der kinetischen Energie wird in Schwingungsenergie der Atome umgewandelt, wodurch ein Erwärmungseffekt entsteht und die Körper verformt werden.) Sie werden heiß. Endlich erreicht die Temperatur, wo Wasserstoff zu Helium verschmilzt (Kernfusion erfordert so viel Wärme, weil sie benötigt wird, um die elektrostatische Abstoßung zwischen den Kernen in der Reaktion zu überwinden. Ein Tokamak-Reaktor verwendet starke Magnetfelder, um die Fusionsreaktion einzudämmen.) Der Wasserstoff nicht nur im Kern, sondern auch an den Teilen, die eine Hülle aus nicht brennendem Wasserstoff bilden. Kleine Sterne mit einer Masse von anderthalb Sonnenmassen verschmelzen Wasserstoff zu Helium und dies setzt Energie frei, die Strahlungsdruck ist und der Schwerkraft entgegenwirkt und den Stern davon abhält, die Punkte über dem Gravitationspunkt zu absorbieren. Langsam wird der Kern heiß genug, um die äußeren Schichten zu erwärmen, und so dehnen sie sich zu einem roten Riesen aus / wenn der Kern heiß genug wird, schmilzt die äußere Wasserstoffhülle, die direkt außerhalb des Kerns vorhanden ist. Wenn die Schwerkraft den Stern zermalmt, verstehe ich, dass sich der Stern erwärmt, wenn die Schwerkraft ihn zermalmt. Infolgedessen wird, obwohl der Sternkern „tot“ bleibt (es findet keine Fusion statt), eine „Hülle“ aus Gas um den Sternkern herum heiß genug, um mit der Verschmelzung von Helium zu beginnen. Da die Fusion als „Hülle“ um den Sternkern herum stattfindet, drückt der nach außen gerichtete Druck der Fusion die äußeren Schichten des Sterns weiter. Das Ergebnis ist, dass der Stern zu einem Roten Riesen heranwächst. Der Strahlungsdruck durch den Kern nimmt auf seinem Weg zu den äußeren Schichten an Energie ab. Der Kern wird zu einem inerten Heliumkern, aber das Gas ist immer noch heiß und steht unter hohem Druck, und daher zieht sich der Kern nicht sofort unter der Wirkung seiner eigenen Schwerkraft zusammen. Der Kern zieht sich zusammen und Atome werden näher zusammengebracht und kollidieren stärker miteinander Aufgrund der Brownschen Bewegung erhöht dies die Energie der Atome und diese Energie wird in Energie umgewandelt und erwärmt den Stern. Das Helium erfordert eine hohe Wärmemenge und dies bietet ideale Bedingungen, damit Helium zu Kohlenstoff verschmelzen kann, gefolgt von vielen Elementen, bis sie Eisen erreichen . Sobald Eisen erreicht ist, wird die Fusion gestoppt, da Eisen so fest gebunden ist, dass keine Energie durch Fusion gewonnen werden kann. Eisen kann schmelzen, dabei nimmt es aber Energie auf und die Kerntemperatur sinkt. Die Schwerkraft des Sterns überwiegt und komprimiert die Sterne. Nun hängt das Schicksal des Sterns von seiner Masse ab. Ein Stern mit geringer oder mittlerer Masse (mit einer Masse von weniger als etwa der achtfachen Masse unserer Sonne) wird zu einem Weißen Zwerg. Ein typischer Weißer Zwerg ist etwa so massiv wie die Sonne, aber nur geringfügig größer als die Erde. Damit gehören Weiße Zwerge zu den dichtesten Materieformen, die nur von Neutronensternen und Schwarzen Löchern übertroffen werden. Der Weiße Zwerg wird durch das Paulie-Ausschlussprinzip gestützt, bei dem - In einem entarteten Gas sind alle Quantenzustände bis zur Fermi-Energie aufgefüllt. Die meisten Sterne werden durch den normalen thermischen Gasdruck gegen ihre eigene Gravitation gestützt, während bei weißen Zwergsternen die Stützkraft vom Entartungsdruck des Elektronengases in ihrem Inneren herrührt. In Neutronensternen sind die entarteten Teilchen Neutronen. Ein Fermionengas, in dem alle Quantenzustände unterhalb eines bestimmten Energieniveaus gefüllt sind, wird als vollständig entartetes Fermionengas bezeichnet. Die Differenz zwischen diesem Energieniveau und dem niedrigsten Energieniveau wird als Fermi-Energie bezeichnet. In einem gewöhnlichen Fermionengas, in dem thermische Effekte dominieren, sind die meisten verfügbaren Elektronenenergieniveaus ungefüllt und die Elektronen können sich frei in diese Zustände bewegen. Wenn die Partikeldichte erhöht wird, füllen Elektronen nach und nach die niedrigeren Energiezustände und zusätzliche Elektronen werden gezwungen, selbst bei niedrigen Temperaturen Zustände höherer Energie einzunehmen. Entartete Gase widersetzen sich stark einer weiteren Kompression, da die Elektronen aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips nicht auf bereits gefüllte niedrigere Energieniveaus gelangen können. Da Elektronen keine Energie abgeben können, indem sie in niedrigere Energiezustände wechseln, kann keine thermische Energie extrahiert werden. Der Impuls der Fermionen im Fermionengas erzeugt dennoch einen Druck, der als „Entartungsdruck“ bezeichnet wird. Die Elektronen besetzen zuerst die niedrigeren Energieniveaus nach dem Aufbauprinzip und füllen dann die höheren Orbitale, wenn sie in kleinere Zustände unter Druck gesetzt werden, kann die Schwerkraft die Elektronen aufgrund gleicher Quantenzahlen nicht weiter komprimieren: -

1 Hauptquantenzahl (n)

2 Azimutale Quantenzahl (ℓ)

3 Magnetische Quantenzahl (mℓ)

4 Spinquantenzahl(en)

Die weißen Zwergsterne sind weiß, da sie noch heiß von ihrer Aktivität sind und schließlich durch den Strahlungsverlust in Form von Infrarot kalt werden (die Atome werden heiß und wollen am schnellsten Energie verlieren, daher verlieren sie Energie durch Infrarot, was das Gefühl ist Wärme, wenn wir uns einem heißen Objekt nähern ) ‎ Ein roter Riesenstern mit mehr als der 7-fachen Masse der Sonne ist für ein spektakuläreres Ende bestimmt.

Diese massereichen Sterne durchlaufen einige der gleichen Schritte wie die mittelmassereichen Sterne. Zuerst schwellen die äußeren Schichten zu einem Riesenstern an, aber noch größer, und bilden einen roten Überriesen. Als nächstes beginnt der Kern zu schrumpfen und wird sehr heiß und dicht. Dann beginnt im Kern die Verschmelzung von Helium zu Kohlenstoff. Wenn der Heliumvorrat zur Neige geht, zieht sich der Kern wieder zusammen, aber da der Kern mehr Masse hat, wird er heiß und dicht genug, um Kohlenstoff zu Neon zu verschmelzen. Wenn der Kohlenstoffvorrat aufgebraucht ist, treten tatsächlich andere Fusionsreaktionen auf, bis der Kern mit Eisenatomen gefüllt ist.

Bis zu diesem Punkt setzten die Fusionsreaktionen Energie frei, die es dem Stern ermöglichten, gegen die Schwerkraft anzukämpfen. Das Schmelzen von Eisen erfordert jedoch eine Zufuhr von Energie, anstatt überschüssige Energie zu erzeugen. Mit einem Kern voller Eisen wird der Stern den Kampf gegen die Schwerkraft verlieren.

Die Kerntemperatur steigt auf über 100 Milliarden Grad, wenn die Eisenatome zusammengedrückt werden. Die Elektronen werden bis zum Kern komprimiert, wo sie von den Protonen angezogen werden und die Elektronen mit den Protonen kollidieren, Neutronen bilden und ein Neutrino freisetzen und die neu erzeugten Neutrinos gehen Sie fliegen nach außen und stoßen die äußeren Schichten des Sterns in einer gigantischen Explosion aus, die als Supernova bezeichnet wird (um genau zu sein, eine Typ-II- oder Kernkollaps-Supernova). Sehen Sie, die Neutronen sind in sehr großer Zahl vorhanden, da der Stern sehr groß ist. Nun, die Überreste der Supernova hängen auch von der Masse ab und dann sind sie entweder Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Eine weitere Bedingung für Supernovae - Betrachten Sie das typische Impulsübertragungsexponat, das in vielen Wissenschaftsmuseen zu finden ist, wie in der Animation rechts dargestellt. Gummibälle unterschiedlicher Größe werden in unterschiedlichen Höhen gehalten. Die Bälle werden dann im selben Moment losgelassen. Die Schwerkraft zieht sie alle nach unten und sie alle fallen auf den Boden. In den nächsten Momenten trifft die untere Kugel auf den Boden und prallt zurück, und dann beginnen die Kugeln zu kollidieren. Impuls gleich Masse mal Geschwindigkeit. Das bedeutet, dass ein langsam fahrendes schweres Objekt genauso viel Schwung hat wie ein schnell fahrendes leichtes Objekt. Wenn zwei Objekte kollidieren, übertragen sie einen Impuls. Wenn ein schweres langsames Objekt mit einem leichten Objekt kollidiert, kann es ihm aufgrund der Impulserhaltung eine sehr hohe Geschwindigkeit verleihen. Wie diese Animation zeigt, wird durch die Anordnung der Gummibälle vom schwersten unten zum leichtesten oben der Impuls auf immer leichtere Objekte übertragen, was immer höhere Geschwindigkeiten bedeutet. Obwohl die Schwerkraft alle Bälle nach unten zieht, prallen die oberen Bälle daher mit unglaublicher Geschwindigkeit zurück. Dies alles im Einklang mit dem Impulserhaltungssatz. Die unteren Bälle sind zu schwer und zu langsam, um davonzufliegen. Sie bleiben als überlebender Kern des ursprünglichen Systems zurück. Andererseits werden die oberen Kugeln weggeblasen (in einer Ausstellung eines Wissenschaftsmuseums werden sie oben auf dem Gerät eingefangen, damit die Demonstration wiederholt werden kann). Diese Explosion von Gummibällen findet statt, ohne dass nennenswerte chemische oder nukleare Reaktionen stattfinden. Diese Explosion ist einfach auf die Schwerkraft und Impulsübertragung zurückzuführen, dh auf einen Gravitationsrückprall. Wenn Sie sich die Animation genau ansehen, sehen Sie, dass der Rückprall in Form einer nach außen gerichteten Stoßwelle erfolgt, die mit zunehmender Ausbreitung an Intensität gewinnt. Schwerere Objekte haben jedoch auch mehr Trägheit, Das bedeutet, dass sie einer Bewegung mehr widerstehen als leichtere Objekte, daher bewirkt die Trägheit, dass diese schwereren Objekte einen Impuls auf leichtere Objekte übertragen. Eine Supernova ist die gleiche Art von Explosion wie diese Demonstration von Gummibällen. Ein alternder Stern besteht aus dichteren Schichten in Richtung Zentrum und dünneren Schichten nahe der Oberfläche. Die Kernreaktionen des Sterns gleichen typischerweise die Schwerkraft aus. Aber wenn dem Stern der Treibstoff ausgeht, verlangsamen sich die Kernreaktionen. Das bedeutet, dass die Schwerkraft nicht mehr im Gleichgewicht ist. Die Schwerkraft beginnt, den Stern zu kollabieren. Nachdem der Kern eines kollabierenden Sterns eine kritische Dichte erreicht hat, wird sein Druck stark genug, um den Kollaps aufzuhalten. Aber wie die Gummibälle ist auch der Stern nach innen gefallen und springt jetzt zurück. Die äußeren Schichten werden in einer gigantischen Explosion ins All geschleudert, Verbreitung fruchtbarer Staubwolken im ganzen Universum. Aber wegen der Impulsübertragung überlebt der Kern des Sterns. Das Einsturzereignis hat den Kern des Sterns so stark zusammengedrückt, dass er sich in etwas Exotisches verwandelt. Wenn der Stern mit der 5- bis 12-fachen Masse unserer Sonne begann, wird der Kern zu einem großen Ball aus Neutronen, der als Neutronenstern bezeichnet wird. Wenn der Stern zu Beginn mehr als die 12-fache Masse unserer Sonne hatte, wird der Kern zu einem Schwarzen Loch. Sie könnten versucht sein zu argumentieren, dass, wenn ein Stern explodiert und nur noch ein Schwarzes Loch übrig bleibt, nichts mehr übrig ist und der Stern daher vollständig zerstört wurde. Aber ein Schwarzes Loch ist nicht nichts. Schwarze Löcher haben Masse, Ladung, Drehimpuls und üben Schwerkraft aus. Ein Schwarzes Loch ist nur ein Stern, der dicht genug ist und daher eine ausreichend starke Schwerkraft hat. um zu verhindern, dass Licht entweicht. Das durch eine Supernova entstandene Schwarze Loch ist der übriggebliebene Kern des explodierten Sterns.

Schwarze Löcher sind sehr dicht und krümmen die Raumzeit, selbst Licht kann nicht entkommen.

Wissen Sie? - Heiße Sterne sind blau! Je heißer der Stern ist, desto kürzer ist die Wellenlänge des Lichts, das er aussendet. Da es sich in der Mitte der Strahlungskette befindet, sendet es blaues Licht und UV-Strahlen aus. Da weniger heiße Sterne nicht viel Energie haben, um blaues Licht zu emittieren, emittieren sie rotes Licht.

Von - https://stellarxplore.wixsite.com/universe (Meine Website)