为什么星星变成红色巨人？

免责声明：我不是职业天文学家。我没有望远镜。我没有专业证书。但是我确实发现这些东西很有趣，而且我会尽我所能消费所有的天文学纪录片。

因此，我看了很多描述恒星演化的纪录片。我了解，在一定阈值以下，恒星死亡并不涉及超新星。我知道，超过该阈值，超新星可能会产生中子星，磁星或（如果超新星可以视为超新星）黑洞。

但是，很长一段时间以来，我很好奇为什么超新星阈值以下的恒星（如我们自己的太阳）会变成红色巨人。

从纪录片中，我被指示（对于低于超新星阈值的恒星），当恒星的核聚变无法继续进行时……聚变停止，并且恒星开始在重力作用下坍塌。

当重力将恒星压碎时，我知道恒星会随着重力压碎恒星而升温。结果，尽管恒星核保持“死”状态（没有发生熔化），但恒星核周围的气体“壳”变得足够热，可以开始融合氦气。由于融合是围绕恒星核的“壳”而发生的，因此从融合中向外推是进一步推动恒星外层的因素。结果是恒星成长为红色巨人。

我的问题是： 融合为什么会在核心中停止？在我看来，当引力压碎恒星时，恒星融合会在核本身而不是在核周围的球体中重新点燃。为什么恒星核心在其“壳”开始融合时仍保持“死”状态？

（这在某种程度上得到了简化，但我希望它能使您理解。）

反应在堆芯中停止，因为它耗尽了燃料。在主序列中，恒星由氢融合成氦来支撑。最终，氢在中心处耗尽，因此不再可能发生氢融合。

为什么它不立即开始将氦融合成碳？那是因为核心还不够热或不够密集。不同的反应广泛地依赖于原子核中不同共振态的存在，并且在氦气的情况下，直到核心温度约为开尔文之前，这种状态才能经常达到。$10^8$

为了变热，核心必须收缩并加热。它最终会（如果恒星足够大），但是不会立即发生。请记住，气体仍然是高温高压气体，会作用于自身及其周围环境。

同时，在芯的边缘，星（部分地作为所述收缩的结果）是热足以使氢转化为氦，所以它这样做。这正是核燃烧的外壳，区别了红色巨人的内部结构。

因此，也许可以这样想。想象一下主序列末尾的星星。哪里有足够的热量可将氢气融合成氦气？到处都是核心的边缘！它在核心融合吗？不，因为它没有燃料了。那么它在哪里融合？在核心的边缘，我们将其视为外壳。

恒星的命运基本上取决于其质量。其所有活动的多样性取决于其质量。如果一颗恒星的核心质量小于Chandraseckhar极限（），那么它注定要以白矮星（或最终是黑矮星）的身份死亡。白矮星的成分也取决于恒星的原始质量。不同的质量将导致不同的组成。更确切地说，恒星越重，构成最终物体的元素就越重。这是因为质量越大意味着重力势能越多$M\sim1.4M_{sun}$

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

依次可以转化为热量。

氢核聚变开始于约的质子-质子反应（这是类太阳恒星的主要过程）。这是允许粒子克服其库仑势垒（即融合）的值。氢聚变后，当大部分核由氦组成时，氢聚变当然不再发生。核心开始塌陷并发热。对于类似太阳的恒星，有足够的质量压缩到足以加热核心以开始He燃烧的水平。但是，仅此而已。当氦也转化为碳时，恒星的质量不足以再次压缩到开始另一个核聚变反应的水平。这就是为什么核心核反应停止的原因$10^7 K$。对于壳燃烧问题，重要的是要了解两件事：恒星的壳结构仅仅是一个近似值；太阳状恒星内部存在温度梯度，这意味着（除了电晕），当您从外面到核心时，温度会升高。现在，如果核被压缩并变得非常热而可以燃烧氦气，则壳在核“外部”（以洋葱状的模式位于先前的氢燃烧核的半径之内），仍然足够热以燃烧氢。的大小氦燃烧芯的比氢燃烧芯的情况下（这是压缩由定义$(1)$$(2)$）。壳层中仍然有足够的氢，而现代分子在恒星内部足够深（这意味着高温），可以使氢发生核聚变。如果恒星质量更大，则可能发生更多的事情，例如更重的元素核融合以及越来越多的燃烧壳。

看一下这些： 参考1，参考2。

参考号3也有一些数字。

为获得更基本的了解，有助于了解将He-4融合到C-12中的困难。这称为三重Alpha过程。

当两个He-4核（α粒子）具有足够的能量可以克服库仑势垒并使其截面对齐时，会生成Be-8。Be-8核非常不稳定（由于它在能量上有利于将被核子排列成两个α粒子），其半衰期约为10 ^ -17秒，这简直令人惊讶。因此，要产生C-12，三个α粒子必须几乎立即聚集在一起，两个产生Be-8，并且在该半衰期阈值中，第三个会相互作用。

花一点时间考虑一下核心条件必须达到的极端程度，以允许三个alpha粒子聚在一起并几乎瞬时成功地相互作用，并且发生足够的时间以产生使核心摆脱退化所需的能量。目前，氦聚变需要大约1亿K才能开始，而不是太阳核的1500万K（正在经历质子-质子链的大约99％的反应）。该温度既由退化核的不可思议的压力提供，也由壳提供的额外能量提供。

壳层融合在三重阿尔法过程之前就开始了，因为随着核收缩并变质，从核中辐射出了太多能量，以至于它加热了周围的周围层，使其开始融合H-He，实际上，它是如此的热，以至于CNO循环导致了壳融合。

恒星的外层迅速膨胀，这是因为从该壳层辐射出大量能量，而壳层的熔化温度要比当今的核芯高得多。

我认为您和我一样，需要更多外行的答复。如果您想对发生的事情有一个很好的，易于理解的解释，请查看Wikipedia中的“太阳系的形成和演化”，然后单击5.3（太阳和行星环境）。太阳实际上会膨胀两次：一次，当核心因加速氢融合而变得非常热时（随着太阳的核心变得更热，氢燃烧得更快），以致核心周围壳中的氢开始融合（壳中的这种氢融合是是什么将外层推到大约1AU）。然后大约只要20亿年。堆芯达到临界密度/温度（由于氦气量增加），氦气开始融合成碳。此时，氦气“闪蒸” 太阳回缩到原始尺寸的11倍左右。核心中的氦会融合成碳大约一亿年，直到发生同样的事情为止（这次除外，核心中的壳中的氢和氦开始融合，导致外层再次膨胀。这是在氦开始被使用之后）上升（或被碳“污染”到足以停止聚变过程），并且没有足够的质量开始碳聚变，导致行星状星云被弹出，恒星开始“死亡”。

我建议您在http://www.space.com/上阅读此文章。

引用它：

宇宙中的大多数恒星是主要序列恒星，即通过核聚变将氢转化成氦的恒星。主序恒星的质量可能是太阳质量的三分之一至八倍，并最终通过其核心中的氢燃烧。在其使用寿命中，聚变的外向压力与重力的内向压力保持平衡。一旦聚变停止，引力将带动并压缩恒星，使其变得越来越小。

温度随着收缩而增加，最终达到氦能够融合成碳的水平。根据恒星的质量，氦气的燃烧可能是逐渐的，也可能是爆炸性的。氦聚变产生的能量使恒星向外膨胀至其原始大小的许多倍。

编辑： 维基百科提供了更多的见解：

当恒星耗尽其核心中的氢燃料时，核反应将不再继续，因此，由于其自​​身的重力，核心开始收缩。这将额外的氢带入温度和压力足以使核聚变在围绕核的壳中恢复的区域。较高的温度导致反应速率增加，足以使恒星的发光度增加1,000-10,000倍。然后，恒星的外层极大地膨胀，从而开始了恒星生命的红巨星阶段。

我的问题是：融合为什么会在核心停止？在我看来，当引力压碎恒星时，恒星聚变将在核本身而不是在核周围的球体中重新点燃。为什么恒星核的“壳”开始融合时仍保持“死”状态？

我们的太阳大约处于其“主要序列”或氢融合阶段的一半。恒星核心的聚变是恒星动态平衡的一部分。

• 恒星的引力场（由恒星的质量产生）倾向于将其质量压向核心。物质压缩得越多，它变得越热。

• 由核心处元素的融合产生的能量释放趋向于将物质从核心分散开。物质从核中扩散会降低其温度。

那么，恒星的大小至少部分地是由形成的动态平衡引起的，在该平衡点处重力压缩力等于聚变产生的膨胀力。这称为恒星的静水平衡。

随着重元素的融合，按质量释放的能量会下降。熔化氢释放的能量最多，熔化氦释放的能量较少，依此类推。最终，达到一个点（铁的熔化），在该点熔化元素所需的能量大于熔化反应释放的能量。这样的恒星的铁芯被认为是“非熔融的”，因为如果将铁芯加热到能够使铁熔化的温度，则反应会释放出不足以保持温度的能量。

在这一点上，恒星变得越来越无法保持其静水平衡，即使其质量凝结。接下来发生的情况取决于恒星的质量以及其引力场是否足够强到足以超过其质量的电子简并压力。