なぜ星は赤い巨人になるのですか？

免責事項：私はキャリア天文学者ではありません。私は望遠鏡を所有していません。私は専門的な資格を持っていません。しかし、私はこのようなものが魅力的であり、天文学のドキュメンタリーをすべて使い果たしています。

だから、私は恒星の進化を説明するドキュメンタリーをたくさん見てきました。一定のしきい値を下回ると、星の死には超新星は含まれないことを理解しています。そのしきい値を超えると、超新星は中性子星、マグネター、または（超新星が超新星と見なされる場合）ブラックホールを作成する可能性があることを理解しています。

しかし、長い間、なぜ私たちの太陽のように超新星の閾値を下回る星がレッドジャイアンツになるのか興味がありました。

ドキュメンタリーから、私は（超新星の閾値以下の星の場合）、星の核の融合が継続できず…融合が止まり、星が重力で崩壊し始めると教えられました。

重力が星を押しつぶすと、星が重力で押しつぶされると熱くなることがわかります。その結果、恒星のコアは「死んだ」ままですが（核融合は発生しません）、恒星のコアの周囲のガスの「殻」はヘリウムの融合を開始するのに十分に熱くなります。融合は恒星のコアの周りの「シェル」として発生するため、融合からの外側への押し出しが星の外層をさらに押し進めます。その結果、星は赤い巨人に成長します。

私の質問はこれです： なぜ核融合はコアで止まるのですか？重力が星を押しつぶすと、星の融合がコア自体の中で再燃するように思えます。コアの周りの球ではありません。なぜ星の核は「死んだ」ままであるのに、その「殻」は融合を始めるのでしょうか？

（これはやや単純化されていますが、アイデアが伝わることを願っています。）

燃料がなくなるため、反応は炉心で停止します。主なシーケンスの間に、星は水素のヘリウムへの融合によって支えられます。最終的には、水素が中心でなくなるため、そこで水素の融合は不可能になります。

なぜヘリウムがすぐに炭素に融合し始めないのですか？これは、コアがまだ十分に高温または高密度ではないためです。異なる反応は、核内の異なる共鳴状態の存在に広く依存しており、ヘリウムの場合、コア温度が約ケルビンになるまでそのような状態に十分な頻度で到達することはできません。$10^8$

それを熱くするために、コアは収縮して加熱する必要があります。最終的には（星が十分に大きい場合）起こりますが、瞬時には起こりません。ガスはまだ高温で高圧であり、それ自体とその周囲に作用することに注意してください。

一方、コアの端部に、スターは（部分的に前記収縮の結果として）であるヘリウムに水素を有効にするホット十分なので、そうします。これはまさに、赤い巨人の内部構造を区別する核燃焼シェルです。

だからこのように考えてみてください。メインシーケンスの最後にある星を想像してください。水素をヘリウムに融合するのに十分なほど高温ですか？コアの端までどこでも！コアで融合しますか？いいえ、燃料切れです。それでどこで融合しますか？シェルのように認識されるコアの端。

星の運命は基本的にその質量に依存します。その活動の多様性はすべてその質量に依存します。星のコアの質量がチャンドラセッカー制限（）を下回る場合、（または実際には、最終的には黒色black 星）として死ぬ運命にあります。白色d星の組成も、星の元の質量に依存します。質量が異なると、組成も異なります。より正確には、星がより重くなればなるほど、最終オブジェクトを構成する要素は重くなります。これは、質量が大きくなると、重力ポテンシャルエネルギーが大きくなるためです。$M\sim1.4M_{sun}$

$dU = - \frac{GM(r)dm}{r}$

順番に熱に変換することができます。

水素原子核融合は、陽子-陽子反応（太陽のような星の支配的なプロセス）の約始まります。これは、粒子がクーロン障壁を克服できる（つまり融合する）値です。水素核融合の後、ほとんどの核がヘリウムで構成されている場合、もちろん水素核融合はもう起こり得ません。コアは崩壊し始め、それ自体を加熱します。太陽のような星の場合、He燃焼を開始するのに十分なほどコアを加熱するレベルまで圧縮するのに十分な質量があります。しかし、それだけです。また、ヘリウムが炭素に変換されると、星は別の核融合反応を開始するレベルまで再び圧縮するのに十分な質量を持ちません。これが核の核反応が停止する理由です$10^7 K$。シェル燃焼問題については、2つのことを理解することが重要です。星のシェル構造は近似にすぎません。太陽のような星の内部には温度の勾配があります。コロナ）外側からコアに行くと温度が上がります。さて、コアが圧縮されてヘリウムを燃やすほど高温になった場合、コアの「外側」のシェル（タマネギのようなスキーマでは以前の水素燃焼コアの半径内にあった）は、水素を燃焼するのに十分高温のままです。ヘリウム燃焼コアのサイズは水素燃焼コアよりも小さい（これは定義による圧縮$(1)$$(2)$）。シェルにはまだ十分な水素があり、現代は星の内部に十分に深く（高温を意味する）、水素の核融合を可能にします。星の質量がもっと大きければ、より重い元素の核融合や、ますます燃えるような殻のような、もっと多くのことが起こります。

これらを参照してください： Ref 1、Ref 2。

いくつかの数字についても参照3。

より基本的な理解を得るには、He-4をC-12に融合することの困難さを理解することが役立ちます。これは、Triple-Alphaプロセスと呼ばれます。

2つのHe-4核（アルファ粒子）がクーロン障壁に打ち勝つために十分なエネルギーを持ち、それらの断面を揃えると、Be-8が生成されます。Be-8核は非常に不安定であるため（対象の核子が2つのアルファ粒子にエネルギー的に有利であるため）、半減期は約10 ^ -17秒であり、驚くほど短いです。したがって、C-12を生成するには、3つのアルファ粒子がほぼ瞬時に結合する必要があり、2つはBe-8を生成し、その半減期のしきい値では、3つ目が相互作用します。

3つのアルファ粒子が一緒になり、ほぼ瞬時に相互作用し、コアを縮退から解放するのに必要なエネルギーを生成するのに十分な回数の確率を実現するために、コアの条件がどれほど極端であるかを考えてください。現在では、1500万Kの太陽のコア（反応の約99％で陽子-プロトンチェーンを受けている）に対して、ヘリウム核融合の開始には約1億Kが必要です。この温度は、縮退したコアの信じられないほどの圧力と、シェルによって供給される追加のエネルギーの両方によって提供されます。

コアが収縮して縮退するにつれて、コアから放射されるエネルギーが非常に多く、HからHeへの融合を開始できる点まで周囲の層を加熱するため、シェル融合はトリプルアルファプロセスの前に開始されます。実際、非常に高温であるため、シェル融合はCNOサイクルによるものです。

このシェルから放射される膨大な量のエネルギーがあるため、星の外層は急速に膨張し、現在のコアよりもはるかに高温で融合しています。

あなたは私のような人で、素人の答えがもっと必要だと思います。あなたがウィキペディアの「太陽系の形成と進化」を見て何が起こるかについてのわかりやすい説明が必要な場合は、5.3（太陽と惑星環境）をクリックしてください。太陽は実際に2回膨張します：核が加速された水素核融合により非常に熱くなると（太陽の核が熱くなるにつれて、水素はより速く燃えます）、核の周りのシェルの水素が融合し始めます（シェルのこの水素核融合は外側の層を約1AUに押し上げるもの）。それから約20億年後。コアは、ヘリウムが炭素に融合し始める臨界密度/温度（ヘリウムの増加量による）に達します。この時点で、ヘリウム「フラッシュ」があります 太陽は元のサイズの約11倍に縮小します。コア内のヘリウムは、同じようなことが起こるまで約1億年にわたって炭素に融合します（ただし、コア周囲のシェル内の水素とヘリウムが融合し始め、外層が再び膨張します。ヘリウムが使用され始めた後（または、核融合プロセスを停止するのに十分な炭素で「汚染」）、惑星状星雲が放出され、星が「死ぬ」ようになるほど炭素融合を開始するのに十分な質量がありません。

http://www.space.com/でこの記事を読むことをお勧めします。

それから引用：

宇宙のほとんどの星は主系列星であり、核融合によって水素をヘリウムに変換します。メインシーケンスの星は、太陽の3倍から8倍の質量を持ち、最終的にコアの水素を燃やします。その寿命の間に、核融合の外向きの圧力は重力の内向きの圧力と釣り合った。融合が停止すると、重力が鉛を奪い、星をより小さくより強く圧縮します。

温度は収縮とともに上昇し、最終的にヘリウムが炭素に融合できるレベルに達します。星の質量に応じて、ヘリウムの燃焼は徐々に起こるか、爆発的な閃光で始まる場合があります。ヘリウム核融合によって生成されたエネルギーにより、星は元のサイズの何倍にも外側に膨張します。

編集： ウィキペディアはさらに洞察を提供します：

星がその核で水素燃料を使い果たすと、核反応は継続できなくなり、そのため、核はそれ自体の重力のために収縮し始めます。これにより、温度と圧力が核の周囲のシェルで核融合を再開させるのに十分な領域に追加の水素が導入されます。温度が高いと反応速度が上がり、星の光度が1,000〜10,000倍になります。星の外側の層は大きく膨張し、星の生命の赤巨人段階が始まります。

私の質問はこうです：核融合はなぜコアで止まるのですか？！重力が星を押しつぶすと、星の融合がコア自体の中で再燃するように思えます。コアの周りの球ではありません。なぜ星のコアは「死んだ」ままであるのに、その「シェル」は融合を開始するのでしょうか？

私たちの太陽は、その「メインシーケンス」または水素融合段階のほぼ中間にあります。星の核の融合は、その動的平衡の一部です。

• 星の重力場（その質量によって生成される）は、その質量をコアに向かって圧縮する傾向があります。物質を圧縮するほど、熱くなります。

• コアでの元素の融合によって生成されるエネルギーの放出は、コアから物質を分散させる傾向があります。コアからの物質の分散は、その温度を下げる傾向があります。

星の大きさは、少なくとも部分的には、重力の圧縮力が核融合によって生成された膨張力に等しくなるときに形成される動的平衡によるものです。これは、星の静水圧平衡と呼ばれます。

より重い元素が融合すると、質量ベースで放出されるエネルギー量は減少します。ほとんどのエネルギーは、水素を融合するために放出され、ヘリウムを融合することによって放出されるエネルギーは少なくなります。最終的に、要素を融合するのに必要なエネルギーの量が核融合反応によって放出されるエネルギーよりも大きくなるポイント（鉄の融合）に到達します。そのような星の鉄心は「核融合しない」と考えられています。なぜなら、鉄心が鉄の融合を可能にする温度まで加熱されると、温度を維持するのに不十分なエネルギーが反応から放出されるからです。

この時点で、星はその質量が凝縮しても、静水圧平衡を維持できなくなります。次に何が起こるかは、星の質量と、その重力場がその質量の電子縮退圧力を超えるほど強いかどうかによって異なります。