Zonne energie

[Ty Finnally]

Als ik het goed begrepen heb wordt in onze zon iedere seconde ongeveer 600Mton massa waterstof omgezet in Helium, waarbij 4,2Mton massa direct wordt omgezet in energie. Deze energie kom na 100.000 naar buiten in de vorm van licht, en 1 miljardste deel hiervan bereikt de aare, ongeveer 1340W/m^2 (bron: wikipedia)
 
Nu zal de zon over 5 miljard jaar et rode reuzenstadium bereiken, waarbij hij 150 maal zo groot is en 2000 keer zo helder, direct voor de heliumflits. Die factor 2000 in helderheid verbaasd mij enigzins, omdat dit inhoudt dat de zon de 2000 keer zo hard waterstof moet omzetten in helium (want het is nog voor de heliumflits)
 
Dus waar de zon in 10 miljard jaar 10% van zijn waterstof omzet in helium als hoofdreeksster, zou die als rode reus in 1 miljoen jaar ongeveer 2% van zijn massa (want: 2000 keer zo helder) moeten omzetten in helium. Klopt dit? Of zie ik iets over het hoofd?

[Bladerunner]

Als in een ster als de zon alle in de kern aanwezige waterstof is omgezet in Helium begint die kern ineen te storten omdat de thermische druk de gravitatie niet meer tegen kan houden. Hierdoor stijgt de dichtheid en temperatuur in en rond de kern en begint de direct buiten de kern aanwezige waterstof te fuseren tot Helium. Dit zorgt voor een steeds grotere hoeveelheid Helium waardoor de druk en temperatuur in de kern toeneemt en de reeds bestaande Helium daar gedegenereerd wordt.
De elektron-degeneratie druk (die is bereikt als alle elektronen het laagste energie level hebben bereikt en dus niet dichter bij de kern kunnen komen) stopt dan verdere ineenstorting van de kern. Maar omdat er direct rond de kern Helium geproduceerd wordt blijft de temperatuur stijgen. Op een gegeven moment vindt er in de gedegenereerde kern Helium fusie plaats.
 
Er ontstaat in de kern dus een 'op hol' geslagen proces dat uiteindelijk naar de 'Helium flits' leidt. De temperatuur in de kern blijft stijgen door de toename van Helium rond de kern en die hogere temperatuur vergroot steeds het gebied rond de kern van waterstof fusie in Helium en zo voort en initieert op een gegeven moment Helium fusie. Maar omdat in tegenstelling tot gewone materie gedegenereerde materie niet dichter kan worden in dit proces krijg je een moment waarop de thermische druk de gedegenereerde Helium druk overwint en begint de kern in een korte explosie uit te zetten waarna er 'normale' Helium fusie plaatsvindt.
 
Dus voordat de heliumflits plaatsvindt neemt het volume aan waterstof dat deel uitmaakt van het H -> He proces dus toe en verklaart het de groter wordende energie productie.

[Ty Finnally]

Ik ben het grotendeels met jou verhaal eens, bladerunner, hoewel ik zelf de tekst "op hol geslagen proces" pas bij de heliumflits zou zetten. Het proces dat leidt naar de heliumflits, duurt namelijk één miljard jaar, en kan nauwelijks "op hol geslagen" genoemd worden.
 
Maar dat neemt niet weg dat de zon een rode reus wordt. Als de zon dat 1 miljoen jaar vol houd, met een helderheid heeft van 2000 L_O, hij 2% van al het in de zon aanwezige waterstof opsoupeert. Dat betekend volgens mij dat de zon maar heel kort een echte rode reus kan zijn. Als hij namelijk 45 miljoen jaar een rode reus zou zijn, is al het waterstof op. Dat zie ik toch goed?
 
Ook tijdens de (ongeveer) vijf thermische pulsen, 100 miljoen jaar na de heliumflits, wordt de zon (volgens wikipedia) een rode reus (en nog groter en nog helderder). Dat kunnen dus maar hele korte momenten zijn, van het "rode reus zijn", in het leven van de zon, lijkt me zo.
 
Mijn redenering in deze is als volgt: wanneer de zon 2000 keer zo helder is, moet er 2000 keer zo veel energie worden geproduceerd, en dus zal dit proces (even uitgaande van waterstof fusie, die het meeste energie oplevert) 2000 keer zo snel moeten gaan.
Snijdt deze redenering hout?

[Bladerunner]

Het rode reus stadium is inderdaad beduidend korter dan de hoofdreeks fase. Uiteindelijk zal er in sterren met een massa als de zon een kern zijn die (van buiten naar binnen) als volgt is samengesteld:
 
1) H -> He
2) Helium schil.
3) He fusie
4) koolstof/zuurstof kern
 
De koolstof / zuurstof kern is inert en de ster heeft onvoldoende massa voor verdere fusie.
Je redenering is niet zo simpel als je stelt. Omdat er naast H -> He ook He -> koolstof/zuurstof plaatsvindt (3 Helium atomen vormen 1 koolstof atoom) met enkele lichtere elementen als bijproduct. Bovendien wordt een deel van de gefuseerde elementen door de botsingen met andere deeltjes weer gesplitst om vervolgens weer deel te nemen aan het fusie proces. De actuele levensduur van sterren wordt dus niet 1 op 1 vertaald in de snelheid waarmee hun elementen worden omgezet. (De Helium fusie duurt relatief kort in vergelijking met de veel trager verlopende H -> He fusie.)
 
Vroeger dacht men van wel, maar dat was in strijdt met de geologische aspecten van de Aarde die dan veel ouder bleek te zijn dan een ster volgens de oude opvattingen kon worden.

[Michel Uphoff]

Maar dat neemt niet weg dat de zon een rode reus wordt. Als de zon dat 1 miljoen jaar vol houd, met een helderheid heeft van 2000 L_O, hij 2% van al het in de zon aanwezige waterstof opsoupeert. Dat betekend volgens mij dat de zon maar heel kort een echte rode reus kan zijn. Als hij namelijk 45 miljoen jaar een rode reus zou zijn, is al het waterstof op. Dat zie ik toch goed?

 
Als je aanneemt dat gedurende de hele (sub)Red Giant Branch fase de luminositeit 2000 keer de huidige is, dan kom je inderdaad in de problemen.
 
Maar die lichtkracht heeft een rode reus met een beginmassa van die van de Zon pas aan het einde van de Red Giant Branch. De Zon is bij 10 miljard jaar leeftijd en met 1,8 keer de huidige lichtkracht aan het einde van zijn bestaan als hoofdreeksster aangekomen. Na een tussenfase van 1,5 miljard jaar als sub RGB ster komt hij bij ongeveer 12 miljard jaar aan bij de zogenoemde RGB-tip.
 
De echte RGB duur waarin de lichtkracht sterk toeneemt is dus ongeveer 500 miljoen jaar. Pas op het moment van de RGB tip heeft de Zon de hoogste absolute magnitude tot dan toe (-4 , vergeleken met nu: +4,83). Dan is zijn helderheid dus 2,512^8,83 = 3400 keer groter dan nu. Die lichtkracht neemt in het begin maar heel geleidelijk toe en op het einde, dicht bij de RGB tip, juist heel snel.

[Ty Finnally]

Dat was wat ik had verwacht om te horen

[Michel Uphoff]

Hier de lichtkracht versus de leeftijd van de Zon in een grafiek die ik gemaakt heb op basis van de gegevens van David Taylor, Northwestern. Een plaatje zegt vaak meer dan woorden:
 

Levensloop vd Zon 2035 keer bekeken

Klik op de afbeelding voor grote weergave.