Das Alter der Sonne wird von den meisten Astrophysikern auf etwa 4,59 Milliarden Jahre geschätzt. Es wird als mittlerer oder sogar kleiner Stern klassifiziert - solche Sterne existieren schon länger als ihre größeren und schnell verblassenden Schwestern. Die Sonne hat es bisher geschafft, weniger als die Hälfte des darin enthaltenen Wasserstoffs zu verbrauchen: Von einem Anteil von 70,6 Prozent an der ursprünglichen Masse der Sonnenmasse bleiben 36,3 übrig. Bei thermonuklearen Reaktionen wird Wasserstoff in der Sonne zu Helium.
Damit die Reaktion der Kernfusion abläuft, sind eine hohe Temperatur und ein hoher Druck erforderlich. Wasserstoffkerne sind Protonen - Elementarteilchen mit positiver Ladung, zwischen denen eine elektrostatische Abstoßungskraft wirkt, die verhindert, dass sie sich nähern. Im Inneren befinden sich aber auch erhebliche universelle Anziehungskräfte, die die Streuung der Protonen verhindern. Im Gegenteil, sie drücken die Protonen so nahe zusammen, dass die Kernfusion beginnt. Ein Teil der Protonen wird zu Neutronen, und die Kräfte der elektrostatischen Abstoßung werden geschwächt. Dadurch steigt die Leuchtkraft der Sonne. Wissenschaftler schätzen, dass in der Anfangsphase der Existenz der Sonne ihre Leuchtkraft nur 70 Prozent ihrer heutigen Emission betrug und in den nächsten 6,5 Milliarden Jahren die Leuchtkraft des Sterns nur noch zunehmen wird.
Sie argumentieren jedoch weiterhin mit diesem Standpunkt, der am weitesten verbreitet und in Lehrbüchern enthalten ist. Und das Hauptthema für Spekulationen ist genau die chemische Zusammensetzung des Solarkerns, die nur anhand sehr indirekter Daten beurteilt werden kann. Eine der konkurrierenden Theorien besagt, dass das Hauptelement im Solarkern überhaupt nicht Wasserstoff ist, sondern Eisen, Nickel, Sauerstoff, Silizium und Schwefel. Die leichten Elemente - Wasserstoff und Helium - sind nur auf der Oberfläche der Sonne vorhanden, und die Fusionsreaktion wird durch die große Anzahl von Neutronen erleichtert, die vom Kern emittiert werden.
Oliver Manuel entwickelte diese Theorie 1975 und versucht seitdem, die wissenschaftliche Gemeinschaft von ihrer Gültigkeit zu überzeugen. Er hat eine Reihe von Anhängern, aber die meisten Astrophysiker halten das für völligen Unsinn.
Foto: NASA und das Hubble Heritage Team (AURA / STScI)
Der variable Stern V838 Monocerotis befindet sich am Rand unserer Galaxie. Dieses Bild zeigt einen Teil der staubigen Hülle des Sterns. Diese Schale hat einen Durchmesser von sechs Lichtjahren. Dieses jetzt sichtbare Lichtecho bleibt gegenüber dem Blitz selbst nur um zwei Jahre zurück. Astronomen erwarten, dass das Lichtecho die staubige Umgebung von V838 Mon weiter blitzt, während es sich zumindest für den Rest dieses Jahrzehnts ausdehnt.
Welche Theorie auch immer richtig ist, "Solarkraftstoff" wird früher oder später ausgehen. Aufgrund des Mangels an Wasserstoff beginnen thermonukleare Reaktionen zu stoppen und das Gleichgewicht zwischen ihnen und den Anziehungskräften wird verletzt, wodurch die äußeren Schichten gegen den Kern drücken. Durch die Kontraktion steigt die Konzentration des verbleibenden Wasserstoffs, die Kernreaktionen werden sich verstärken und der Kern beginnt sich auszudehnen. Die allgemein anerkannte Theorie sagt voraus, dass sich die Sonne im Alter von 7,5 bis 8 Milliarden Jahren (dh nach 4 bis 5 Milliarden Jahren) in einen roten Riesen verwandeln wird: Ihr Durchmesser wird sich mehr als hundertmal vergrößern, so dass sich die Umlaufbahnen der ersten drei Planeten des Sonnensystems im Inneren des Sterns befinden … Der Kern ist sehr heiß und die Temperatur der Riesenschale ist niedrig (ca. 3000 Grad) - und daher rot gefärbt.
Ein charakteristisches Merkmal des Roten Riesen ist, dass Wasserstoff nicht mehr als "Brennstoff" für Kernreaktionen in ihm dienen kann. Jetzt beginnt das dort in großen Mengen angesammelte Helium zu "brennen". In diesem Fall werden instabile Isotope von Beryllium gebildet, die sich beim Beschuss mit Alpha-Partikeln (dh denselben Heliumkernen) in Kohlenstoff verwandeln.
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Daraufhin wird das Leben auf der Erde und auf der Erde selbst höchstwahrscheinlich bereits aufhören zu existieren. Selbst die niedrige Temperatur, die die Sonnenperipherie zu diesem Zeitpunkt haben wird, wird ausreichen, damit unser Planet vollständig verdunstet.
Natürlich hofft die gesamte Menschheit wie jeder Einzelne auf das ewige Leben. In dem Moment, in dem sich die Sonne in einen roten Riesen verwandelt, werden diesem Traum gewisse Einschränkungen auferlegt: Wenn es der Menschheit gelingt, eine solche Katastrophe zu überleben, wird sie sich nur außerhalb ihrer Wiege befinden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass einer der größten Physiker unserer Zeit, Stephen Hawking, lange Zeit argumentiert hat, dass der Moment, in dem die Menschheit nur noch überleben kann, die Kolonisierung anderer Planeten ist. Intraterrestrische Gründe machen es unmöglich, diese Wiege viel früher zu bewohnen, als der Sonne etwas Schlimmes passiert.
Schauen wir uns das Timing hier genauer an:
Gewicht = 1,99 * 1030 kg.
Durchmesser = 1,392,000 km.
Absolute Größe = +4,8
Spektralklasse = G2
Oberflächentemperatur = 5800 ° K.
Umlaufzeit = 25 Stunden (Pol) -35 Stunden (Äquator)
Die Revolutionsperiode um das Zentrum der Galaxie = 200.000.000 Jahre
Entfernung zum Zentrum der Galaxie = 25000 Licht. Jahre alt
Die Bewegungsgeschwindigkeit um das Zentrum der Galaxie beträgt 230 km / s.
Die Sonne. Der Stern, aus dem alle Lebewesen in unserem System hervorgegangen sind, ist ungefähr 750-mal so groß wie die Masse aller anderen Körper im Sonnensystem. Daher kann alles in unserem System als gemeinsamer Schwerpunkt betrachtet werden, der sich um die Sonne dreht.
Die Sonne ist eine kugelsymmetrische Glühplasmakugel im Gleichgewicht. Es ist wahrscheinlich zusammen mit anderen Körpern des Sonnensystems vor etwa 5 Milliarden Jahren aus einem Gas- und Staubnebel entstanden. Zu Beginn seines Lebens war die Sonne etwa 3/4 Wasserstoff. Dann stiegen aufgrund der Gravitationskompression die Temperatur und der Druck im Darm so stark an, dass spontan eine thermonukleare Reaktion auftrat, bei der Wasserstoff in Helium umgewandelt wurde. Infolgedessen stieg die Temperatur im Zentrum der Sonne sehr stark an (etwa 15.000.000 ° K), und der Druck in seinem Inneren stieg so stark an (1,5 x 105 kg / m3), dass die Schwerkraft ausgeglichen und die Schwerkraftkompression gestoppt werden konnte. So entstand die moderne Struktur der Sonne.
Hinweis: Der Stern enthält ein riesiges Reservoir an Gravitationsenergie. Aber man kann nicht ungestraft Energie daraus ziehen. Die Sonne muss schrumpfen und sollte alle 30 Millionen Jahre um das Zweifache abnehmen. Die Gesamtversorgung mit Wärmeenergie in einem Stern entspricht ungefähr seiner Gravitationsenergie mit dem entgegengesetzten Vorzeichen, dh in der Größenordnung von GM2 / R. Für die Sonne beträgt die Wärmeenergie 4 * 1041 J. Jede Sekunde verliert die Sonne 4 * 1026 J. Die Reserve ihrer Wärmeenergie würde nur für 30 Millionen Jahre ausreichen. Thermonukleare Fusion spart - die Kombination von Lichtelementen, begleitet von einer riesigen Energiefreisetzung. Zum ersten Mal wurde dieser Mechanismus in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts vom englischen Astrophysiker A. Edington aufgezeigt, der feststellte, dass vier Kerne eines Wasserstoffatoms (Proton) eine Masse von 6,69 * 10-27 kg und einen Heliumkern - 6 haben 65 · 10 - 27 kg. Der Massendefekt wird durch die Relativitätstheorie erklärt. Nach Einsteins Formel wird die Gesamtenergie des Körpers durch das Verhältnis E = Ms2 mit der Masse in Beziehung gesetzt. Die Bindungsenergie in Helium ist ein Nukleon mehr, was bedeutet, dass sein Potentialtopf tiefer und seine Gesamtenergie geringer ist. Wenn Helium irgendwie aus 1 kg Wasserstoff synthetisiert wird, wird eine Energie von 6 * 1014 J freigesetzt. Dies entspricht ungefähr 1% der Gesamtenergie des abgebrannten Brennstoffs. Soviel zu Ihrem Energiereservoir.
Zeitgenossen standen Edingtons Hypothese jedoch skeptisch gegenüber. Nach den Gesetzen der klassischen Mechanik ist es notwendig, die Kräfte der Coulomb-Abstoßung zu überwinden, um Protonen näher an eine Entfernung in der Größenordnung des Wirkungsradius der Kernkräfte zu bringen. Dazu muss ihre Energie den Wert der Coulomb-Barriere überschreiten. Die Berechnung ergab, dass zum Starten des Prozesses der Kernfusion eine Temperatur von etwa 5 Milliarden Grad erforderlich ist, die Temperatur im Zentrum der Sonne jedoch etwa 300-mal niedriger ist. Daher schien die Sonne nicht heiß genug zu sein, um eine Heliumfusion zu ermöglichen.
Edingtons Hypothese wurde durch die Quantenmechanik gerettet. 1928 wurde der junge sowjetische Physiker G. A. Gamow entdeckte, dass Partikel gemäß ihren Gesetzen mit einiger Wahrscheinlichkeit durch die potenzielle Barriere sickern können, selbst wenn ihre Energie unter ihrer Höhe liegt. Dieses Phänomen wird als Subbarriere- oder Tunnelübergang bezeichnet. (Letzteres weist bildlich auf die Möglichkeit hin, sich auf der anderen Seite des Berges zu befinden, ohne auf den Gipfel zu klettern.) Mit Hilfe von Tunnelübergängen erklärte Gamow die Gesetze des radioaktiven a-Zerfalls und bewies damit erstmals die Anwendbarkeit der Quantenmechanik auf nukleare Prozesse (fast gleichzeitig waren Tunnelübergänge entdeckt von R. Henry und E. Condon). Gamow machte auch darauf aufmerksam, dass kollidierende Kerne aufgrund von Tunnelübergängen nahe beieinander kommen und bei Energien eine Kernreaktion eingehen könnenkleinere Werte der Coulomb-Barriere. Dies veranlasste den österreichischen Physiker F. Houtermans (dem Gamow bereits vor ihrer Veröffentlichung von seiner Arbeit erzählte) und den Astronomen R. Atkinson, zu Edingtons Idee des nuklearen Ursprungs der Sonnenenergie zurückzukehren. Und obwohl die gleichzeitige Kollision von vier Protonen und zwei Elektronen zu einem Heliumkern ein äußerst unwahrscheinlicher Prozess ist. 1939 gelang es G. Bethe, eine Kette (einen Zyklus) von Kernreaktionen zu finden, die zur Synthese von Helium führten. Der Katalysator für die Synthese von Helium im Bethe-Zyklus sind die Kohlenstoffkerne C12, deren Anzahl unverändert bleibtUnd obwohl die gleichzeitige Kollision von vier Protonen und zwei Elektronen zu einem Heliumkern ein äußerst unwahrscheinlicher Prozess ist. 1939 gelang es G. Bethe, eine Kette (einen Zyklus) von Kernreaktionen zu finden, die zur Synthese von Helium führten. Der Katalysator für die Synthese von Helium im Bethe-Zyklus sind die Kohlenstoffkerne C12, deren Anzahl unverändert bleibtUnd obwohl die gleichzeitige Kollision von vier Protonen und zwei Elektronen zu einem Heliumkern ein äußerst unwahrscheinlicher Prozess ist. 1939 gelang es G. Bethe, eine Kette (einen Zyklus) von Kernreaktionen zu finden, die zur Synthese von Helium führten. Der Katalysator für die Synthese von Helium im Bethe-Zyklus sind die Kohlenstoffkerne C12, deren Anzahl unverändert bleibt
In Wirklichkeit kann also nur ihr zentraler Teil mit einer Masse von 10% der Gesamtmasse als Treibstoff für Sterne dienen. Berechnen wir, wie lange die Sonne genug Kernbrennstoff haben wird.
Die Gesamtenergie der Sonne beträgt M * c2 = 1047 J, die Kernenergie (Ead) beträgt ungefähr 1%, d. H. 1045 J, und unter Berücksichtigung, dass nicht alle Materie verbrennen kann, erhalten wir 1044 J. Teilen dieses Wertes durch die Leuchtkraft der Sonne 4 * 1026 J / s, wir bekommen, dass seine Kernenergie 10 Milliarden Jahre dauern wird.
Im Allgemeinen bestimmt die Masse eines Sterns eindeutig sein weiteres Schicksal, da die Kernenergie des Sterns Ead ~ Mc2 ist und sich die Leuchtkraft ungefähr wie L ~ M3 verhält. Die Abbrandzeit wird Atomzeit genannt; es ist definiert als tad = ~ Ead / L = 1010 (M / M der Sonne) -2 Jahre.
Je größer der Stern, desto schneller verbrennt er sich selbst! Das Verhältnis von drei charakteristischen Zeiten - dynamisch, thermisch und nuklear - bestimmt den Charakter der Sternentwicklung. Die Tatsache, dass die dynamische Zeit viel kürzer als die thermische und nukleare Zeit ist, bedeutet, dass der Stern immer ein hydrostatisches Gleichgewicht erreicht. Und die Tatsache, dass die thermische Zeit kürzer als die Kernzeit ist, bedeutet, dass der Stern Zeit hat, um zum thermischen Gleichgewicht zu gelangen, dh zum Gleichgewicht zwischen der im Zentrum pro Zeiteinheit freigesetzten Energiemenge und der von der Sternoberfläche emittierten Energiemenge (der Leuchtkraft des Sterns). In der Sonne wird alle 30 Millionen Jahre die Versorgung mit Wärmeenergie erneuert. Aber die Energie in der Sonne wird durch Strahlung getragen. Das heißt Photonen. Ein Photon, das in einer thermonuklearen Reaktion im Zentrum geboren wurde, erscheint nach einer thermischen Zeit (~ 30 Millionen Jahre) an der Oberfläche. Das Photon bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit, aber,Die Sache ist, dass es, das ständig absorbiert und wieder emittiert wird, seine Flugbahn stark verwirrt, so dass seine Länge 30 Millionen Lichtjahren entspricht. Für eine so lange Zeit hat die Strahlung Zeit, sich mit der Substanz, durch die sie sich bewegt, in ein thermisches Gleichgewicht zu bringen. Daher liegt das Spektrum der Sterne und nahe am Spektrum eines schwarzen Körpers. Wenn die Quellen der thermonuklearen Energie heute (wie eine Glühbirne) „ausgeschaltet“wären, würde die Sonne noch Millionen von Jahren scheinen.dann würde die Sonne noch Millionen von Jahren scheinen.dann würde die Sonne noch Millionen von Jahren scheinen.
Aber selbst wenn die Prophezeiung von Hawking und seinen vielen Vorgängern und Gleichgesinnten auf der ganzen Welt wahr werden soll und die Menschheit eine "außerirdische Zivilisation" aufbauen will, wird das Schicksal der Erde die Menschen dennoch beunruhigen. Daher haben viele Astronomen ein besonderes Interesse an sonnenähnlichen Sternen in ihren Parametern - insbesondere wenn diese Sterne zu roten Riesen werden.
So untersuchte eine von Sam Ragland angeführte Gruppe von Astronomen unter Verwendung eines infrarotoptischen Komplexes aus drei kombinierten Teleskopen des Infrarot-Optischen Teleskop-Arrays von Arizona Sterne mit Massen von 0,75 bis 3-mal der Masse der Sonne und näherte sich dem Ende ihrer Entwicklung. Das nahende Ende ist recht leicht an der geringen Intensität der Wasserstofflinien in ihren Spektren und im Gegenteil an der hohen Intensität der Helium- und Kohlenstofflinien zu erkennen.
Das Gleichgewicht der Gravitations- und elektrostatischen Kräfte in solchen Sternen ist instabil, und Wasserstoff und Helium in ihnen wechseln sich als eine Art Kernbrennstoff ab, der über einen Zeitraum von etwa 100.000 Jahren Änderungen der Helligkeit des Sterns verursacht. Viele solcher Sterne verbringen die letzten 200.000 Jahre ihres Lebens als Variablen vom Typ Welt. (Weltvariablen sind Sterne, deren Leuchtkraft sich regelmäßig mit einem Zeitraum von 80 bis 1000 Tagen ändert. Sie sind nach dem "Vorfahren" der Klasse, den Sternen der Welt im Sternbild Cetus, benannt.)
Abbildung: Wayne Peterson / LCSE / Universität von Minnesota
Ein gerendertes Modell eines rot pulsierenden Riesen, das am Computational Science and Technology Laboratory der University of Minnesota erstellt wurde. Innenansicht des Kerns des Sterns: gelb und rot - Bereiche mit hohen Temperaturen, blau und aqua - Bereiche mit niedrigen Temperaturen.
In dieser Klasse fand eine ziemlich unerwartete Entdeckung statt: In der Nähe des Sterns V 391 im Sternbild Pegasus wurde ein Exoplanet entdeckt, der zuvor in die geschwollene Hülle des Sterns eingetaucht war. Genauer gesagt pulsiert der Stern V 391, wodurch sein Radius zunimmt und abnimmt. Der Planet, dessen Entdeckung eine Gruppe von Astronomen aus verschiedenen Ländern in der September-Ausgabe der Zeitschrift Nature berichtete, hat eine Masse, die mehr als das Dreifache der Masse des Jupiter beträgt, und der Radius seiner Umlaufbahn beträgt das Eineinhalbfache der Entfernung zwischen der Erde und der Sonne.
Als V 391 die rote Riesenstufe passierte, erreichte sein Radius mindestens drei Viertel des Radius seiner Umlaufbahn. Zu Beginn der Expansion des Sterns war der Radius der Umlaufbahn, in der sich der Planet befand, jedoch kleiner. Die Ergebnisse dieser Entdeckung lassen der Erde nach der Explosion der Sonne eine Überlebenschance, obwohl sich die Parameter der Umlaufbahn und der Radius des Planeten selbst wahrscheinlich ändern werden.
Die Analogie wird etwas durch die Tatsache verdorben, dass dieser Planet sowie sein Mutterstern der Erde und der Sonne nicht sehr ähnlich sind. Und am wichtigsten ist, dass V 391, als es sich in einen roten Riesen verwandelte, einen bedeutenden Teil seiner Masse "fallen ließ", was den Planeten "rettete"; Das passiert aber nur zwei Prozent der Riesen. Obwohl das "Abladen" der Außenschalen mit der Umwandlung des roten Riesen in einen allmählich abkühlenden weißen Zwerg, der von einem expandierenden Gasnebel umgeben ist, nicht so selten ist.
Eine zu enge Begegnung mit seinem Stern ist das offensichtlichste, aber nicht das einzige Problem, das die Erde von anderen großen kosmischen Körpern erwartet. Es ist wahrscheinlich, dass sich die Sonne in einen roten Riesen verwandelt, nachdem sie unsere Galaxie bereits verlassen hat. Tatsache ist, dass unsere Milchstraßengalaxie und die benachbarte Riesengalaxie, der Andromeda-Nebel, seit Millionen von Jahren in Gravitationswechselwirkung stehen, was schließlich dazu führen wird, dass Andromeda die Milchstraße zu sich selbst zieht und Teil dieser großen Galaxie wird. Unter den neuen Bedingungen wird die Erde zu einem völlig anderen Planeten. Darüber hinaus kann das Sonnensystem aufgrund von Gravitationswechselwirkungen wie Hunderte anderer Systeme buchstäblich auseinandergerissen werden. Da die Anziehungskraft des Andromeda-Nebels viel stärker ist als die Schwerkraft der Milchstraße,Letzterer nähert sich ihm mit einer Geschwindigkeit von ca. 120 km / s. Mithilfe von Computermodellen mit einer Genauigkeit von 2,6 Millionen Objekten haben Astronomen festgestellt, dass Galaxien in etwa 2 Milliarden Jahren konvergieren und die Schwerkraft beginnt, ihre Strukturen zu verformen und lange, attraktive Schwänze aus Staub und Gas, Sternen und Planeten zu bilden. In weiteren 3 Milliarden Jahren werden die Galaxien in direkten Kontakt kommen, wodurch die neue vereinigte Galaxie eine elliptische Form annehmen wird (beide Galaxien gelten heute als Spirale). Nach weiteren 3 Milliarden Jahren werden die Galaxien in direkten Kontakt kommen, wodurch die neue vereinigte Galaxie eine elliptische Form annehmen wird (beide Galaxien gelten heute als Spirale). Nach weiteren 3 Milliarden Jahren werden die Galaxien in direkten Kontakt kommen, wodurch die neue vereinigte Galaxie eine elliptische Form annehmen wird (beide Galaxien gelten heute als Spirale).
Foto: NASA, ESA und das Hubble Heritage Team (STScI)
In diesem Bild passieren zwei Spiralgalaxien (die große ist NGC 2207, die kleine - IC 2163) sich in der Region der Konstellation des Großen Hundes wie majestätische Schiffe. Die Gezeitenkräfte der Galaxie NGC 2207 haben die Form des IC 2163 verzerrt und Sterne und Gas in Ströme geworfen, die sich über Hunderttausende von Lichtjahren erstrecken (in der rechten Ecke des Bildes).
Das Harvard Smithsonian Center für Astrophysik Prof. Avi Loeb und sein Student TJ Cox schlugen vor, wenn wir den Himmel unseres Planeten durch die berüchtigten 5 Milliarden Jahre beobachten könnten Dann würden wir anstelle unserer üblichen Milchstraße - einem blassen Streifen dunkler, funkelnder Punkte - Milliarden neuer heller Sterne sehen. In diesem Fall würde sich unser Sonnensystem "am Rande" einer neuen Galaxie befinden - ungefähr hunderttausend Lichtjahre von ihrem Zentrum entfernt statt der gegenwärtigen 25.000 Lichtjahre. Es gibt jedoch andere Berechnungen: Nach der vollständigen Verschmelzung von Galaxien kann sich das Sonnensystem dem Zentrum der Galaxie nähern (67.000 Lichtjahre), oder es kann vorkommen, dass es in den "Schwanz" fällt - eine Verbindung zwischen Galaxien. Und im letzteren Fall werden aufgrund des Gravitationseffekts die dort befindlichen Planeten zerstört.
Angesichts der Zukunft der Erde, der Sonne, des Sonnensystems als Ganzes und der Milchstraße ist dies ebenso aufregend wie konventionell wissenschaftlich. Riesige Zeiträume von Prognosen, ein Mangel an Fakten und die relative Schwäche der Technologie sowie in hohem Maße die Gewohnheit der modernen Menschen, in Bezug auf Kino und Thriller zu denken, wirken sich auf die Tatsache aus, dass Annahmen über die Zukunft eher wie Science-Fiction sind, nur mit einem besonderen Schwerpunkt auf dem ersten Wort.
