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真实的太阳氦闪

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发表于 2019-1-29 14:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 gohomeman1 于 2019-1-29 15:18 编辑

刘慈欣的《流浪地球》马上要上映了,中国的科幻片总算有了自己叫得响的样本。
这么多年来,欧美各种科幻片一直占据着我们的大银幕,而国内的那些所谓流量电影,不说也罢


这部作品中,有太阳氦闪的情节。大刘为了情节推动,假设了太阳氦闪,由此开启了壮丽、悲情的地球流浪之旅。在此,我们有必要来看看,天文学上的氦闪,是怎么回事


首先我们不得不承认的是,氦闪到现在为止, 没有争议的观测事实,好像还没有。这是因为,首先它的持续时间短;其次它的增亮效果,完全不如小说中所描述的这么明显。那些明显的增亮事件,比如超新星、新星,早就被我们发现了。
现在,全天监测系统基本已经建立,按理说,银河系某颗恒星发生明显的光度变化,我们应该都能知道;而河外超新星事件,从过去的一年十几次到现在一年千次以上,以致于当前的超新星编号方法,都面临窘境。


所以,氦闪的观测资料,按理早该有。但是,我们确实在理论上早就预言了它的发生,因为从流体力学的角度进行的恒星演化模型分析,类太阳恒星发生氦闪应该是合理的。


下面,我们从天文的角度,来看看氦闪。

 楼主| 发表于 2019-1-29 15:21 | 显示全部楼层
本帖最后由 gohomeman1 于 2019-1-30 10:09 编辑

太阳在红巨星阶段,可能需要10亿年才能爬到图中的顶峰,这10亿年中,光度会逐渐增大到现在的1万倍以上,外层光球至少超过金星轨道,至于是否吞下地球轨道,地球是否会掉入太阳中,这个又有很多争议。
关键在于,这么巨大的红巨星,其外层大气,太阳引力已经维持不住,所以不断的有物质会脱离太阳,所有的红巨星都在以比主序星阶段快得多的速度损失物质。主序星100亿年,以太阳风损失的质量,大概与核聚变损失的质量相当;而10亿年红巨星,至少会损失20%的太阳质量。
这10亿年中,氦核不断变大,很快的,原子核之间的电磁斥力已经无法对抗引力,核心坍缩为一个白矮星(只不过我们看不到)。简并态的电子压力顶住了引力。随着核心氦核的质量增加,半径反而缩小,温度继续上升。
10亿过去,内白矮星的质量逐渐增加到0.3个太阳质量左右,温度也越来越高,逼近1亿K,氦闪时刻终于要来临了


是的,氦闪发生在红巨星阶段后,而不是先有氦闪,后有红巨星的。红巨星的主要阶段,在类太阳恒星上,还是以氢聚变为主的(不同的恒星,有不同的红巨星阶段。此处只在说类太阳恒星)
H-R图.PNG

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 楼主| 发表于 2019-1-29 15:18 | 显示全部楼层
按照理论预言,氦闪发生在0.7-2.2个太阳质量的类太阳恒星的红巨星阶段。虽然质量上下限稍微有些各个模型不同,但大致是这个数值。
更低的,恒星演化到红巨星阶段就会停止,核心的氦没法点燃(但是我以前学习的知识,应该是0.5个太阳质量以下的红矮星,才不能点燃核心的氦)。
质量更高的,其核心能够直接触发氦聚变,无需经过中间的内白矮星阶段。


类太阳恒星自诞生以来,其内核的氢聚变速率,就在逐渐增加。以太阳为例,47亿年前的原始太阳只有当前的75%亮度;而10亿年后,太阳会增亮8-10%(取决于不同的模型设定),这个幅度足够让地球的海洋全面蒸发,而水蒸气本身又是很好的温室气体。而50亿年后,太阳的主序星阶段结束,这时的太阳将比当前增亮100%(是的,增亮是逐渐加速的过程)。



太阳主序星阶段结束的内部机制是,内核中大量的氢已经聚变为氦,这些氦不能继续聚变(因为温度还不够高),自然不能提供对抗引力的能量。所以,中心氦核只能收缩以提升温度,而外核需要加快氢核聚变的速度以对抗引力(可以通俗理解为氢的浓度减少,只能加快反应速度)。
核聚变是温度的幂函数,而聚变速度越快,更多的氦产生,氢更少,需要更高的温度。结果就是,外层接收到的能量大幅度增加(也可这么理解:产能是三维的立方关系,而能量散逸是通过太阳外壳表面的,是平方关系,所以肯定不对等),恒星开始不可避免的大幅度膨胀,这个过程就是红巨星。

 楼主| 发表于 2019-1-29 15:32 | 显示全部楼层
本帖最后由 gohomeman1 于 2019-1-30 10:11 编辑

在以前的模拟中,受制于超级计算机的能力,许多仿真没有仔细地进行,所以现在的百科中,仍旧写着氦闪只持续了几秒钟,释放了多少巨大的能量等等。
以下的内容基于新近几年发表的超算模拟。
下面的叙述,基于一个1.25太阳质量的恒星,因此它的寿命,就远远短于太阳。它的金属含量是2%,与太阳一致(天文学中的金属,指比氦重的所有元素)
在54.74亿年(注意太阳需要110亿年才到达这个阶段),氦核的聚变开始,当然最初阶段的红巨星,能量输出几乎都是外核的氢包层,历经300万年的累积,氦核输出的能量,从万分之一个太阳到达10个太阳;接着3万年不到,就达到了1万个太阳,这时才真正触发了氦闪。

CHF1.PNG

仅仅从效果看,氦闪产生了接近100亿个(10^10)太阳光度的能量输出,这相当于10^43尔格(ergs)的输出,远远小于Ia超新星的能量(大约10^51尔格量级)。
但是,因为这些能量是集聚后的释放,实际效果是,内核因为大幅度升温和氦聚变的能量输出,使得整个氦核解消了简并态(简单说法就是内核大幅度膨胀了),扩散的能量继续使得外面的氢包层扩散,氢聚变基本中止,图中表现为实线的氦(He)输出直线上升,同时虚线的氢(H)输出直线下降,都不到千分之一个太阳辐射了。
事实上作为红巨星的外层表现是,一次性的集聚释放使得红巨星的内核、外核等都膨胀,当然最后膨胀会传导到外层大气(基本由氢组成)。请记住,红巨星的外层大气极为稀薄,得到能量输出的结果就是部分大气将散逸。而整个恒星因为稳定的氦聚变输出,最终反而出现大幅度的收缩,整体上就表现为走下坡路(第一张赫罗图上往下走)。当然,比起原先的主序星还是要亮的。
本图还显示,在接下去的200万年中,这颗红巨星还将发生4次氦闪,当然一次更比一次弱。每一次,都有部分外层大气散失,而当最终氦核完全变成碳氧核后,它终将迎来其生命的最后阶段——白矮星。



 楼主| 发表于 2019-1-29 15:35 | 显示全部楼层
本帖最后由 gohomeman1 于 2019-1-30 10:33 编辑

下面我们继续看看,超算模拟下的氦闪是如何的,其实,现在的超算还只能模拟内核和外核,更多的区域,需要考量的因素比较多,但总体效果能够分析的
氦闪发生时的恒星内核 外核,整个He核约0.4个太阳质量(这是按质量计算,别忘了 1He=4H),半径约2万km。其中内核半径约5000km(比地球小些),内核和外核之间有一片对流区,传输能量。别看简并态物质的密度远远超过了木星核心区,但是它们并不是固体,在极端高压下仍旧能流动。
最初的He聚变都发生在内核,而最外面2000km薄薄的氢包层(蓝色),是红巨星1万个太阳光度的能量来源。氢包层外,就是红巨星非常庞大、但其实极为空虚的外壳了。

CHF1.jpg

 楼主| 发表于 2019-1-29 15:37 | 显示全部楼层
本帖最后由 gohomeman1 于 2019-1-30 10:41 编辑

He核与外面氢包层的显著区别,电子简并态的He核,密度比外面的氢包层大了10^7倍,或者说1000万倍

左图是温度,右图是密度,纵坐标都是对数。即使是对数图,我们仍能看到,从简并态到等离子态,密度发生绝对是悬崖般的突变。所以当氦闪后,氦核发生的膨胀并不会恢复到原位,大量的聚变能量重新转换为引力势能。外壳因此获得的能量明显大减。      


CHF2.jpg
 楼主| 发表于 2019-1-29 15:42 | 显示全部楼层
本帖最后由 gohomeman1 于 2019-1-30 10:17 编辑

关于3α过程(3个氦核——α粒子依次聚变为C12)和CNO循环(红巨星氢包层的主要氢聚变途径)的细节,此处从略;中微子带走能量,前面说过了,予以忽略
上图中大家注意到,简并态物质的密度极高,而且其中心区域又比外核边缘高了1000倍
如此高密度使得核聚变的高温难以快速传导到外层,中心高温已达1.7亿K,而3α过程的速率是温度的6次方关系……
大量集聚的高温转换为外核强烈的湍流对流,所过之处,原先未点燃的氦也开始聚变,并产生了更多的能量。请注意,氦核输出的能量,达到0.7亿个太阳光度,而且持续输出1000秒以上(可不是几秒钟哦),但是它们大量都变成了稠密核心的动能了(看起来有点像Ia超新星啦)

CHF3.PNG



 楼主| 发表于 2019-1-29 15:45 | 显示全部楼层
 楼主| 发表于 2019-1-29 15:46 | 显示全部楼层
本帖最后由 gohomeman1 于 2019-1-30 10:39 编辑

上图可能不直观,本图就比较直观了氦闪开始后1020s(17分钟)的外核,颜色标识了温度和C12含量,与平均值的差异

CHF4.PNG

17分钟,Ia超新星都已经爆发了,这个氦闪在干嘛呢?原来外核的膨胀速率只不过10km/s量级……

 楼主| 发表于 2019-1-29 15:49 | 显示全部楼层
本帖最后由 gohomeman1 于 2019-1-30 10:41 编辑

氦闪进行了29000s(483分钟,或者8小时后)的外核,仍旧好好的在那里,不过以这种膨胀速率,简并态很快就要打破了,整个核心都在动荡中
CHF5.PNG


我们大概估算一下氦闪输出能量,我就算按8小时(约3万秒)的输出来。平均输出功率,按7楼的图,0.5×10^8个太阳(0.5亿个),总输出功率为:
3.8×10^26×0.5×10^8×3×10^4=5.7×10^38J。这个离Ia超新星的总功率,差了约20万倍……
我们即使把氦闪时间延长到1天,这个差额也是5个数量级的概念,就是说,它只能相当于新星的能量规模

But,新星的能量来源是白矮星表面的氢聚变(这些氢就像5楼、6楼的图,是等离子态),它产生的能量至少一半变成了光辐射,另一半用于稀薄的包层中粒子脱离白矮星的引力束缚;而氦闪的能量90%以上用于解消He核的简并态,并且解消简并态的氦核大幅度膨胀后,是不会退回原先的大小的(几十万后新的碳氧核再次变成简并态,那是另一回事了),所以真正传输到外层的能量,更少。

总体效果是,相比于正常时万倍太阳光度的能量输出,外层将接收到百万倍太阳光度的能量输出,所以原先聚变的氢包层被吹散了(密度 温度都降低到不能维持聚变),但是它们膨胀后,经过一段时间,比如几年,仍旧会回落到氦核外。
因为简并态氦核不透明(密度这么高的物质能够透明才怪……),能量只有通过对流传输到氢包层,并再次通过对流和辐射,才能传递到非常遥远的红巨星外壳(别忘了它们远在金星轨道外,即使以太阳风的速度,对流也需要好2周才能到达)。真正的氦闪到外面的观察者看到的时候,事实上已经比核心区的威力,小得太多了

 楼主| 发表于 2019-1-29 15:50 | 显示全部楼层
            2015年,新的超算模拟,摘要如下(该论文的全文我没拿到)


The Core Helium Flash: 3D Hydrodynamic Models

We continue our study of turbulent convection during the core helium flash close to its peak by comparing the results of 2D and 3D hydrodynamic simulations performed with our multidimensional Eulerian hydrodynamics code HERAKLES on the ALTIX 4700 computer of the LRZ. In our previous study based on well resolved 2D and coarsely resolved 3D models covering only the onset of convection we found that (i) the temporal evolution and properties of the convection are similar to those predicted by quasi-hydrostatic stellar evolutionary calculations, and that (ii) the core helium flash does not lead to any explosive behavior. These results are confirmed by our new well resolved 3D models covering longer evolutionary periods. They also show that the flow patterns developing in the 3D models are structurally different from those of the corresponding 2D ones, and that the typical convective velocities in these models are smaller than those in their 2D counterparts. The 3D models also tend to agree better with the predictions of mixing length theory. Our hydrodynamic simulations further show the presence of turbulent entrainment that results in a growth of the convection zone on a dynamic time scale.


我们通过比较在LRZ的ALTIX 4700计算机上使用我们的多维欧拉流体动力学代码HERAKLES进行的2D和3D流体动力学模拟的结果,继续研究核心氦闪接近其峰值时的湍流对流。在我们之前的研究中,基于良好分辨的2D和粗分辨3D模型仅覆盖对流的开始,我们发现
(i)对流的时间演化和性质类似于准静水恒星演化计算所预测的那些,以及( ii)核心氦闪不会导致任何爆炸性行为。
这些结果得到了我们新的分辨率高的3D模型的证实,涵盖了更长的进化周期。他们还表明,3D模型中的流动模式在结构上与相应的2D模型不同,并且这些模型中的典型对流速度小于2D模型中的典型对流速度。3D模型也倾向于更好地与混合长度理论的预测一致。我们的流体动力学模拟进一步表明存在湍流夹带,导致对流区在动态时间尺度上生长。


 楼主| 发表于 2019-1-29 15:53 | 显示全部楼层
关于氦闪的科普基本告一段落,原则上,对于一个红巨星来说,原来就比主序星亮成千上万倍,再亮个几百上千倍,也不算很惊讶。
但是以原著的描写,从主序星直接发生,那就是亮了百万倍。而且,大刘描写的,事实上相当于超新星爆发,那个当然是不得了。
氦闪从外部观测,恒星会持续增亮一段时间,然后将明显变暗,长期看,红巨星将消失,变成亚巨星,但是颜色倒是变得黄白色甚至白色了。



下面准备发一组麒麟座V838的图片,这个可以作为氦闪效果的感性参考,当然它的爆发性增亮到底是什么原因,当前争议仍旧很多。

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