L'età del Sole è stimata dalla maggior parte degli astrofisici in circa 4,59 miliardi di anni. È classificata come una stella media o anche piccola: tali stelle sono esistite più a lungo delle loro sorelle più grandi e in rapido dissolvenza. Il sole finora è riuscito a utilizzare meno della metà dell'idrogeno che contiene: su una quota del 70,6 percento della massa originale di materia solare, ne rimangono 36,3. Nel corso delle reazioni termonucleari, l'idrogeno all'interno del Sole si trasforma in elio.
Affinché la reazione di fusione termonucleare possa procedere, sono necessarie una temperatura elevata e una pressione elevata. I nuclei di idrogeno sono protoni: particelle elementari con una carica positiva, una forza di repulsione elettrostatica agisce tra di loro, impedendo loro di avvicinarsi. Ma all'interno ci sono anche forze significative di attrazione universale, che impediscono la dispersione dei protoni. Al contrario, spingono i protoni così vicini che inizia la fusione nucleare. Parte dei protoni si trasforma in neutroni e le forze di repulsione elettrostatica vengono indebolite; di conseguenza, la luminosità del sole aumenta. Gli scienziati stimano che nella fase iniziale dell'esistenza del Sole, la sua luminosità fosse solo il 70 percento di ciò che emette oggi e nei prossimi 6,5 miliardi di anni la luminosità della stella aumenterà solo.
Tuttavia, continuano a discutere con questo punto di vista, il più diffuso e incluso nei libri di testo. E l'argomento principale della speculazione è proprio la composizione chimica del nucleo solare, che può essere giudicata solo da dati molto indiretti. Una delle teorie concorrenti suggerisce che l'elemento principale nel nucleo solare non è affatto l'idrogeno, ma ferro, nichel, ossigeno, silicio e zolfo. Gli elementi leggeri - idrogeno ed elio - sono presenti solo sulla superficie del Sole, e la reazione di fusione è facilitata dal gran numero di neutroni emessi dal nucleo.
Oliver Manuel ha sviluppato questa teoria nel 1975 e da allora ha cercato di convincere la comunità scientifica della sua validità. Ha un certo numero di sostenitori, ma la maggior parte degli astrofisici lo considera una totale assurdità.
Foto: NASA e The Hubble Heritage Team (AURA / STScI)
La stella variabile V838 Monocerotis si trova ai margini della nostra galassia. Questa immagine mostra parte dell'involucro polveroso della stella. Questa conchiglia è larga sei anni luce. Quell'eco luminoso, che ora è visibile, è in ritardo rispetto al lampo stesso di soli due anni. Gli astronomi si aspettano che l'eco della luce continui a lampeggiare nell'ambiente polveroso del V838 Mon mentre si espande almeno per il resto di questo decennio.
Qualunque sia la teoria corretta, il "combustibile solare" prima o poi si esaurirà. A causa della mancanza di idrogeno, le reazioni termonucleari inizieranno a interrompersi e l'equilibrio tra loro e le forze di attrazione verrà violato, facendo sì che gli strati esterni premano contro il nucleo. Dalla contrazione, la concentrazione dell'idrogeno rimanente aumenterà, le reazioni nucleari si intensificheranno e il nucleo inizierà ad espandersi. La teoria generalmente accettata prevede che all'età di 7,5-8 miliardi di anni (cioè dopo 4-5 miliardi di anni), il Sole si trasformerà in una gigante rossa: il suo diametro aumenterà di oltre cento volte, così che le orbite dei primi tre pianeti del sistema solare saranno all'interno della stella … Il nucleo è molto caldo e la temperatura del guscio dei giganti è bassa (circa 3000 gradi) - e quindi di colore rosso.
Una caratteristica della gigante rossa è che l'idrogeno non può più servire da "combustibile" per le reazioni nucleari al suo interno. Ora l'elio, accumulato lì in grandi quantità, inizia a "bruciare". In questo caso, si formano isotopi instabili di berillio che, se bombardati da particelle alfa (cioè gli stessi nuclei di elio), si trasformano in carbonio.
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È su questo che è molto probabile che la vita sulla Terra, e la Terra stessa, cesserà già di esistere. Anche la bassa temperatura che avrà la periferia solare in quel momento sarà sufficiente per far evaporare completamente il nostro pianeta.
Naturalmente, l'umanità nel suo insieme, come ogni persona individualmente, spera nella vita eterna. Il momento in cui il Sole si trasforma in una gigante rossa impone alcune restrizioni a questo sogno: se l'umanità riuscirà a sopravvivere a una simile catastrofe, sarà solo fuori dalla sua culla. Ma è pertinente ricordare qui che uno dei più grandi fisici del nostro tempo, Stephen Hawking, ha a lungo sostenuto che il momento in cui l'unico modo per l'umanità di sopravvivere sarà la colonizzazione di altri pianeti è quasi arrivato. Ragioni intraterrestri renderanno impossibile abitare questa culla molto prima di quanto accada qualcosa di brutto al Sole.
Diamo uno sguardo più da vicino ai tempi qui:
Peso = 1,99 * 1030 kg.
Diametro = 1.392.000 km.
Magnitudine assoluta = +4,8
Classe spettrale = G2
Temperatura superficiale = 5800 ° K
Periodo orbitale = 25 ore (polo) -35 ore (equatore)
Il periodo di rivoluzione attorno al centro della galassia = 200.000.000 di anni
Distanza dal centro della galassia = 25000 luce. Anni
La velocità di movimento intorno al centro della galassia = 230 km / sec.
Il Sole. La stella che ha dato origine a tutti gli esseri viventi nel nostro sistema è circa 750 volte la massa di tutti gli altri corpi nel sistema solare, quindi tutto nel nostro sistema può essere considerato che ruota attorno al sole come un centro di massa comune.
Il sole è una sfera di plasma incandescente sfericamente simmetrica in equilibrio. Probabilmente è sorto insieme ad altri corpi del sistema solare da una nebulosa di gas e polvere circa 5 miliardi di anni fa. All'inizio della sua vita, il sole era circa 3/4 di idrogeno. Quindi, a causa della compressione gravitazionale, la temperatura e la pressione nelle viscere aumentarono così tanto che iniziò spontaneamente a verificarsi una reazione termonucleare, durante la quale l'idrogeno fu convertito in elio. Di conseguenza, la temperatura al centro del Sole è aumentata molto fortemente (circa 15.000.000 ° K) e la pressione nelle sue profondità è aumentata così tanto (1,5x105 kg / m3) che è stato in grado di bilanciare la forza di gravità e fermare la compressione gravitazionale. È così che è nata la moderna struttura del Sole.
Nota: la stella contiene un gigantesco serbatoio di energia gravitazionale. Ma non puoi trarne energia impunemente. È necessario che il Sole si restringa e dovrebbe diminuire di 2 volte ogni 30 milioni di anni. La fornitura totale di energia termica in una stella è approssimativamente uguale alla sua energia gravitazionale con segno opposto, cioè dell'ordine di GM2 / R. Per il Sole, l'energia termica è pari a 4 * 1041 J. Ogni secondo il Sole perde 4 * 1026 J. La riserva della sua energia termica sarebbe sufficiente solo per 30 milioni di anni. La fusione termonucleare risparmia: la combinazione di elementi leggeri, accompagnata da un gigantesco rilascio di energia. Per la prima volta questo meccanismo, negli anni '20 del XX secolo, fu segnalato dall'astrofisico inglese A. Edington, il quale notò che quattro nuclei di un atomo di idrogeno (protone) hanno una massa di 6,69 * 10-27 kg e un nucleo di elio - 6, 65 * 10-27 kg. Il difetto di massa è spiegato dalla teoria della relatività. Secondo la formula di Einstein, l'energia totale del corpo è correlata alla massa dal rapporto E = Ms2. L'energia di legame nell'elio è un nucleone in più, il che significa che il suo pozzo potenziale è più profondo e la sua energia totale è inferiore. Se l'elio viene in qualche modo sintetizzato da 1 kg di idrogeno, verrà rilasciata un'energia pari a 6 * 1014 J. Questo è circa l'1% dell'energia totale del combustibile esaurito. Questo per quanto riguarda il tuo serbatoio di energia.
I contemporanei, tuttavia, erano scettici sull'ipotesi di Edington. Secondo le leggi della meccanica classica, per avvicinare i protoni a una distanza dell'ordine del raggio d'azione delle forze nucleari, è necessario superare le forze di repulsione di Coulomb. Per questo, la loro energia deve superare il valore della barriera di Coulomb. Il calcolo ha mostrato che per avviare il processo di fusione termonucleare è necessaria una temperatura di circa 5 miliardi di gradi, ma la temperatura al centro del Sole è circa 300 volte inferiore. Quindi, il Sole non sembrava abbastanza caldo da rendere possibile la fusione dell'elio.
L'ipotesi di Edington è stata salvata dalla meccanica quantistica. Nel 1928, il giovane fisico sovietico G. A. Gamow ha scoperto che, secondo le sue leggi, le particelle possono con una certa probabilità filtrare attraverso la potenziale barriera anche quando la loro energia è inferiore alla sua altezza. Questo fenomeno è chiamato sub-barriera o giunzione di tunnel. (Quest'ultimo indica figurativamente la possibilità di trovarsi dall'altra parte della montagna senza arrampicarsi sulla sua cima.) Usando le transizioni del tunnel, Gamow spiegò le leggi del decadimento radioattivo e quindi per la prima volta dimostrò l'applicabilità della meccanica quantistica ai processi nucleari (quasi allo stesso tempo, le transizioni del tunnel erano scoperto da R. Henry e E. Condon). Gamow ha anche attirato l'attenzione sul fatto che, grazie alle transizioni del tunnel, i nuclei in collisione possono avvicinarsi l'uno all'altro ed entrare in una reazione nucleare alle energievalori inferiori della barriera di Coulomb. Ciò spinse il fisico austriaco F. Houtermans (al quale Gamow parlò del suo lavoro ancor prima della loro pubblicazione) e l'astronomo R. Atkinson a tornare all'idea di Edington dell'origine nucleare dell'energia solare. E sebbene la collisione simultanea di quattro protoni e due elettroni per formare un nucleo di elio sia un processo estremamente improbabile. Nel 1939, G. Bethe riuscì a trovare una catena (ciclo) di reazioni nucleari che porta alla sintesi dell'elio. Il catalizzatore per la sintesi dell'elio nel ciclo Bethe sono i nuclei di carbonio C12, il cui numero rimane invariatoE sebbene la collisione simultanea di quattro protoni e due elettroni per formare un nucleo di elio sia un processo estremamente improbabile. Nel 1939, G. Bethe riuscì a trovare una catena (ciclo) di reazioni nucleari che porta alla sintesi dell'elio. Il catalizzatore per la sintesi dell'elio nel ciclo Bethe sono i nuclei di carbonio C12, il cui numero rimane invariatoE sebbene la collisione simultanea di quattro protoni e due elettroni per formare un nucleo di elio sia un processo estremamente improbabile. Nel 1939, G. Bethe riuscì a trovare una catena (ciclo) di reazioni nucleari che porta alla sintesi dell'elio. Il catalizzatore per la sintesi dell'elio nel ciclo Bethe sono i nuclei di carbonio C12, il cui numero rimane invariato
Quindi, in realtà, solo la loro parte centrale con una massa del 10% della massa totale può servire da combustibile per le stelle. Calcoliamo per quanto tempo il sole avrà abbastanza combustibile nucleare.
L'energia totale del Sole è M * c2 = 1047 J, l'energia nucleare (Ead) è di circa l'1%, cioè 1045 J, e tenendo conto che non tutta la materia può bruciare, otteniamo 1044 J. Dividendo questo valore per la luminosità del Sole 4 * 1026 J / s, otteniamo che la sua energia nucleare durerà 10 miliardi di anni.
In generale, la massa di una stella determina in modo inequivocabile il suo ulteriore destino, poiché l'energia nucleare della stella è Ead ~ Mc2 e la luminosità si comporta approssimativamente come L ~ M3. Il tempo di combustione è chiamato tempo nucleare; è definito come tad = ~ Ead / L = lO10 (M / M del Sole) -2 anni.
Più grande è la stella, più velocemente si brucia!.. Il rapporto di tre tempi caratteristici - dinamico, termico e nucleare - determina il carattere dell'evoluzione della stella. Il fatto che il tempo dinamico sia molto più breve del tempo termico e nucleare significa che la stella riesce sempre a giungere all'equilibrio idrostatico. E il fatto che il tempo termico sia inferiore al tempo nucleare significa che la stella ha il tempo di arrivare all'equilibrio termico, cioè all'equilibrio tra la quantità di energia rilasciata al centro per unità di tempo e la quantità di energia emessa dalla superficie della stella (la luminosità della stella). Al sole ogni 30 milioni di anni si rinnova la fornitura di energia termica. Ma l'energia del sole viene trasportata dalle radiazioni. Ciò significa fotoni. Un fotone, nato in una reazione termonucleare al centro, appare sulla superficie dopo un tempo termico, ~ 30 milioni di anni). Il fotone si muove alla velocità della luce, ma,il fatto è che esso, essendo costantemente assorbito e riemesso, confonde molto la sua traiettoria, tanto che la sua lunghezza diventa pari a 30 milioni di anni luce. Per così tanto tempo, la radiazione ha il tempo di entrare in equilibrio termico con la sostanza attraverso la quale si muove. Pertanto, lo spettro delle stelle ed è vicino allo spettro di un corpo nero. Se le fonti di energia termonucleare fossero “spente” (come una lampadina) oggi, il Sole continuerebbe a brillare per milioni di anni.allora il sole avrebbe continuato a splendere per milioni di anni.allora il sole avrebbe continuato a splendere per milioni di anni.
Ma anche se la profezia di Hawking e dei suoi numerosi predecessori e persone che la pensano allo stesso modo in tutto il mondo è destinata a diventare realtà e l'umanità va a costruire una "civiltà extraterrestre", il destino della Terra continuerà a preoccupare le persone. Pertanto, molti astronomi hanno un interesse speciale per le stelle simili al Sole nei loro parametri, specialmente quando queste stelle si trasformano in giganti rosse.
Pertanto, un gruppo di astronomi guidati da Sam Ragland, utilizzando un complesso ottico a infrarossi di tre telescopi combinati dell'Arizona Infrared-Optical Telescope Array, ha studiato stelle con masse da 0,75 a 3 volte la massa del Sole, avvicinandosi alla fine della loro evoluzione. La fine in avvicinamento è abbastanza facilmente individuabile dalla bassa intensità delle righe dell'idrogeno nei loro spettri e, al contrario, dall'elevata intensità delle righe dell'elio e del carbonio.
L'equilibrio delle forze gravitazionali ed elettrostatiche in tali stelle è instabile e l'idrogeno e l'elio al loro interno si alternano come un tipo di combustibile nucleare, il che provoca cambiamenti nella luminosità della stella con un periodo di circa 100 mila anni. Molte di queste stelle trascorrono gli ultimi 200 mila anni della loro vita come variabili di tipo Mondo. (Le variabili mondiali sono stelle la cui luminosità cambia regolarmente con un periodo da 80 a 1mila giorni. Prendono il nome dal "progenitore" della classe, le stelle del Mondo nella costellazione del Cetus).
Illustrazione: Wayne Peterson / LCSE / University of Minnesota
Un modello renderizzato di un gigante rosso pulsante creato presso il Computational Science and Technology Laboratory dell'Università del Minnesota. Vista interna del nucleo della stella: giallo e rosso - aree di alte temperature, blu e acqua - aree di basse temperature.
Fu in questa classe che avvenne una scoperta piuttosto inaspettata: vicino alla stella V 391 nella costellazione del Pegaso, fu scoperto un esopianeta, precedentemente immerso nel guscio gonfio della stella. Più precisamente, la stella V 391 pulsa, a causa della quale il suo raggio aumenta e diminuisce. Il pianeta, la cui scoperta è stata riportata da un gruppo di astronomi di diversi paesi nel numero di settembre della rivista Nature, ha una massa più di tre volte la massa di Giove e il raggio della sua orbita è una volta e mezza la distanza che separa la Terra dal Sole.
Quando il V 391 ha superato lo stadio della gigante rossa, il suo raggio ha raggiunto almeno i tre quarti di quello della sua orbita. Tuttavia, all'inizio dell'espansione della stella, il raggio dell'orbita in cui si trovava il pianeta era più piccolo. I risultati di questa scoperta lasciano alla Terra la possibilità di sopravvivere dopo l'esplosione del Sole, sebbene i parametri dell'orbita e il raggio del pianeta stesso probabilmente cambieranno.
L'analogia è in qualche modo rovinata dal fatto che questo pianeta, così come la sua stella madre, non sono molto simili alla Terra e al Sole. E, cosa più importante, V 391, trasformandosi in una gigante rossa, ha "lasciato cadere" una parte significativa della sua massa, "salvando" il pianeta; ma questo accade solo al due per cento dei giganti. Sebbene lo "scarico" dei gusci esterni con la trasformazione della gigante rossa in una nana bianca che si raffredda gradualmente circondata da una nebulosa di gas in espansione non è così raro.
Un incontro troppo ravvicinato con la sua stella è il più ovvio, ma non l'unico problema che attende la Terra da altri grandi corpi cosmici. È probabile che il Sole si trasformi in una gigante rossa, avendo già lasciato la nostra galassia. Il fatto è che la nostra galassia Via Lattea e la vicina galassia gigante, la Nebulosa di Andromeda, sono state in interazione gravitazionale per milioni di anni, il che alla fine porterà Andromeda a trascinare la Via Lattea verso se stessa e diventerà parte di questa grande galassia. Nelle nuove condizioni, la Terra diventerà un pianeta completamente diverso, inoltre, a seguito dell'interazione gravitazionale, il sistema solare, come centinaia di altri sistemi, può letteralmente essere fatto a pezzi. Poiché l'attrazione gravitazionale della Nebulosa di Andromeda è molto più forte della gravità della Via Lattea,quest'ultimo si avvicina ad una velocità di circa 120 km / s. Utilizzando modelli computerizzati realizzati con una precisione di 2,6 milioni di oggetti, gli astronomi hanno stabilito che in circa 2 miliardi di anni le galassie convergeranno e la forza di gravità inizierà a deformare le loro strutture, formando lunghe code attraenti di polvere e gas, stelle e pianeti. Dopo altri 3 miliardi di anni, le galassie entreranno in contatto diretto, a seguito del quale la nuova galassia unita assumerà una forma ellittica (entrambe le galassie sono oggi considerate a spirale). Dopo altri 3 miliardi di anni, le galassie entreranno in contatto diretto, a seguito del quale la nuova galassia unita assumerà una forma ellittica (entrambe le galassie sono oggi considerate a spirale). Dopo altri 3 miliardi di anni, le galassie entreranno in contatto diretto, a seguito del quale la nuova galassia unita assumerà una forma ellittica (entrambe le galassie sono oggi considerate a spirale).
Foto: NASA, ESA e The Hubble Heritage Team (STScI)
In questa immagine, due galassie a spirale (quella grande è NGC 2207, quella piccola - IC 2163) si incrociano nella regione della costellazione del Grande Cane, come maestose navi. Le forze di marea della galassia NGC 2207 hanno distorto la forma di IC 2163, lanciando stelle e gas in flussi che si estendono per centinaia di migliaia di anni luce (nell'angolo destro dell'immagine).
L'Harvard Smithsonian Center for Astrophysics Prof. Avi Loeb e il suo studente TJ Cox hanno suggerito che se potessimo osservare il cielo del nostro pianeta attraverso i famigerati 5 miliardi di anni, quindi invece della nostra solita Via Lattea - una pallida striscia di pallidi punti scintillanti - vedremmo miliardi di nuove stelle luminose. In questo caso, il nostro sistema solare si troverebbe "alla periferia" di una nuova galassia - a circa centomila anni luce dal suo centro invece degli attuali 25mila anni luce. Tuttavia, ci sono altri calcoli: dopo la completa fusione delle galassie, il sistema solare può avvicinarsi al centro della galassia (67.000 anni luce), oppure può accadere che cada nella "coda" - un anello di collegamento tra le galassie. E in quest'ultimo caso, a causa dell'effetto gravitazionale, i pianeti che vi si trovano verranno distrutti.
Considerare il futuro della Terra, del Sole, del sistema solare nel suo insieme e della Via Lattea è tanto eccitante quanto convenzionalmente scientifico. Enormi periodi di previsione, una mancanza di fatti e la relativa debolezza della tecnologia, nonché in larga misura l'abitudine delle persone moderne a pensare in termini di cinema e thriller, influenzano il fatto che le ipotesi sul futuro sono più simili alla fantascienza, solo con un'enfasi speciale sulla prima parola.
