红巨人怎么会变大？

据推测，当太阳变成红色巨人时，它将长到足以吞噬地球的程度。

但是，这需要太阳半径扩大大约215倍，这意味着其体积必须扩大10,000,000倍。

也许只是我一个人，但是关于此的一些感觉并不直观：-)，特别是考虑到太阳没有获得太多质量。确切地说，比氢重的元素熔合意味着反应物和/或产物占据10,000,000倍的体积吗？在解释恒星的寿命时，没有人会解释这一点，我也不明白为什么会这样。（实际上，鉴于核正在结合，我本来希望聚变会导致体积减小。）

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似乎有两种红色巨人，有些是在氢聚变过程中发生的，有些是氦。
如果这两种类型的答案不同，那么我至少想知道氦气类型的答案（当然，我很乐意进一步介绍并解决这两种问题）。

在我看来，这些解释都没有真正涵盖红色巨人扩张的真正原因。的确，这个主题似乎是一个人们只能组成听起来似乎合理的地方，但这常常是错误的（Fraser Cain提到了轻压力和定影外壳中较大的体积，但是轻压力根本没有作用，并且外壳的体积与内核没有太大的区别，内核比Sun的内核小得多。因此，让我们讲清楚这个故事。

许多描述的确包含了一些关键要素，包括以下事实：在惰性简并氦核顶上有一个氢融合壳。但是，扩展的主要原因是该外壳自我调节其融合速率的方式与Sun核心现在自我调节其融合的方式有很大不同。

现在，太阳的核心会自我调节其聚变速度，以匹配能量（以光的形式）通过太阳质量扩散出来的速度。在所有主序恒星中，这样做的方式基本相同：它们调节其核心温度，这就是为什么发光度更高的主序恒星的核心温度略高的原因。但这完全不是外壳融合成红色巨人的方式来自我调节其融合速率-它无法调节其温度，因为温度是由其所位于的退化核的重力传递给它的。（这是通过维里定理设定温度的，这是简并核影响壳的关键方式-它设定了温度。）由于壳不能调节自身的温度，因此温度往往会很高，尤其是随着核心质量的增加（这就是光度随时间增加的原因）。融合对温度非常敏感，因此被卡在非常高的温度下会使融合率下降疯子。恒星的其余部分无法支持这种惊人的融合速度，因此发生了其他事情。

恒星冒出，这样，我们找到了壳调节自身融合速度的方式：它使壳上的重量增加。这降低了壳中的压力，从而补偿了高温并使聚变速率降低到其余恒星可以控制的范围（这由光可以扩散穿过壳的速率确定）。所以有真正的原因-恒星必须找到一种方法来减轻疯狂的高温壳的重量，以防止融合速率变质，但是结果是，融合速率仍然很高，并且随着核的质量上升，迫使壳温度进一步升高，并迫使恒星进一步膨胀。

这里有一个很好的描述。请记住，一颗恒星是由气体制成的（如果您想变得挑剔的话，可以是等离子体），因此它的体积并不固定。一旦聚变开始，恒星将膨胀直到其大小达到可以使聚变产生的能量与远离表面辐射的能量平衡的大小。如果它太小，它将加热并引起膨胀，膨胀（取决于恒星的哪些部分在膨胀）将减少产生的能量并增加辐射量。要对此进行更详细的了解，需要跟踪温度和密度如何随恒星深度的变化而变化。

在一个红色巨人中，能量不是在核中产生的，而是在围绕核的球形壳中产生的（因为核或多或少地耗尽了燃料）。实际上，这是一个较大的体积，因此会产生更多的能量。恒星不断膨胀，直到可以辐射出所有能量为止。

我发现只有少量的数学描述特别是在第132页附近。所以有一件事是您拥有一个氦核，而氢核正好在其外部进行。这意味着“熔化”层上方的质量较小，因此熔化实际上是在比核心层低的压力下发生的。这需要该层中更高的温度，而当执行方程式时，总能量输出会高得多。能量的流动，无论是辐射还是对流，都到达恒星的外层，并开始加热它们，使它们膨胀（因为恒星的重力或多或少没有变化，因此无法更重地将其拉下）。在膨胀过程中，它们冷却，这意味着它们更多地捕获了辐射（较冷的气体较不透明）并且辐射较少，并且它们再次被加热并再次膨胀。这一直持续到找到平衡点为止（或找不到，对于比太阳大得多的恒星，它会以这种方式吹掉它们的大部分质量），当您进行数字计算时，结果表明，这种平衡需要非常大的恒星。一种可能的想法是，一颗恒星比太阳小得多，它慢慢消失了。一颗比子爆炸大得多的恒星爆炸。太阳位于两者之间，因此它“几乎爆炸”，但当其外层变得非常大时停止。

另一点是，红色巨人上部的密度非常低-按照我们的标准，这是一个体面的真空，被炽热的气体污染。但是，由于恒星是如此之大，它仍然是不透明的，因此我们将其视为恒星的一部分。

处于平衡状态的恒星大小是力的平衡，即由热等离子体产生的压力，由核中的核反应加热，由重力平衡的压力。

融合速率受温度的强烈影响。增加温度一点点，你会得到很多更多的能量出来。当核心中的氢用尽时，它开始坍塌并加热，形成惰性的简并氦核心，并被快速燃烧的氢壳包围。在这种新的平衡下，释放了更多的能量。这种积极的反馈意味着，似乎很小的变化（核到壳的燃烧）对恒星的能量输出产生了巨大的影响。

现在，当一颗恒星演化时，它每秒释放出更多的能量。尽管Aldebaran的能量稍大一点，但它每秒产生的能量却比太阳高500倍。

现在确实会导致恒星增大，但是随着恒星变大，外层距离重心越远，因此，根据平方反比定律，重力就减小了。随着重力的减小，尺寸的增长被放大。因此，功率的大幅增加将导致尺寸的大幅增加。这就是为什么尺寸增长比热气体膨胀的简单直觉所预测的要大得多的原因。

在恒星演化的最后阶段，恒星的大小无限制地增长，因为恒星的引力不足以使其外层与恒星束缚，因此它成为行星状星云。

考虑这一点的直观方法是理解存在本质上可以相互放大的多个更改。天文学的放大并不少见。它解释了为什么重力可以使巨大的物体变得如此小，因为随着巨大物体的变小，物体的重力和重量会成倍增长。从某种意义上说，与红色巨人相反。地表的引力增长得足够低，以至于恒星进入失控膨胀。

生命后期恒星的膨胀是指数级的。这就是为什么它可以扩展很多的原因。

如果太阳的大小增加一倍，但质量保持不变。在这个假设中，新太阳的表面引力除以4。其逃逸速度除以2的平方根，因此外层的重量轻得多，但逃逸速度仍将其绑定到恒星。一切都相等，使太阳膨胀会使它冷却，但是使用热均方根规则，如果温度除以2，则氢和氦分子的速度除以2的平方根。

按照这种理论，它们在表面的氢原子运动略慢，但是在重力的1/4下，它们更加自由，并且可以根据其热速度远离恒星。

如果我们不断扩大太阳，就会出现外氢难以置信地松散结合的情况。在红色巨人的半径（例如半径1 AU或215当前太阳半径）下，重力大约低46,000倍，并且表面上的氢仅经历0.006 m / s ^ 2的重力加速度，但在红色巨星上具有相同的氢分子温度（大约3,000度）时，速度约为5.5 km / s。仅凭它们的热能，它们就可以飞离地面超过一百万公里，而目前太阳表面的飞行距离约为100公里（基于不到8公里/秒的速度）。

在这两种情况下，氢气和氦气的外层处于平衡状态，只是重力和红巨星的尺寸是如此之低，以至于红巨星的平衡是这种松散结合的非常分散的热气。但这只是部分原因。

考虑随着太阳变老还会发生什么。

来源。

发生融合的核心是中心相对较小的区域。围绕芯的是辐射区和导电区。这有助于防止热量聚集在阳光中。结果，随着时间的流逝，太阳的内部变得越来越热，而随着太阳的变得越来越热，其核心变得越来越大，并且涵盖了越来越多的辐射区域。

如果我们把辐射区看作是一种覆盖在太阳内部的热量的毯子，那么随着核心的变大和变大，辐射区既会拉伸，又会失去对核心的质量，因此它会通过两种方式变薄。如果核的大小增加一倍，则来自核的光子必须穿过分子的1/4。随着太阳变得足够老，并且大部分聚变发生在核的外边缘，几乎没有毯子将热量困在里面。产生更多的能量不是那么多，而是能量具有更容易到达太阳外部区域的路径。因此，当太阳变大时，您会产生放大效果，表面重力下降半径的平方，并且内部热量传递到外层的材料更少，

内部核心崩溃也可以发挥作用。即使内核耗尽了氢并开始熔化，它的塌缩也会产生大量热量。

不确定是否清楚，但这是我试图直观地解释会发生什么。