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Throwback Thursday: Por que o sol brilha, de dentro para fora

Crédito da imagem: Solar Dynamics Observatory da NASA; NASA / SDO.

O Sol – como quase todas as estrelas – brilha através de suas reações nucleares, enviando luz, calor e energia para o Universo ao longo de bilhões de anos. Mas como?

O sol é um miasma
De plasma incandescente
O sol não é simplesmente feito de gás
Não não não
O sol é um pântano
Não é feito de fogo
Esqueça o que lhe foi dito no passado -Eles podem ser gigantes

( Toda quinta-feira, pegamos um post clássico dos arquivos do Starts With A Bang e o atualizamos, aumentamos e aprimoramos para nossa série Throwback Thursday. Receber!)

Está tão arraigado em nós que o Sol é uma fornalha nuclear alimentada por átomos de hidrogênio que se fundem em elementos mais pesados ​​que é difícil lembrar disso, somente 100 anos atrás, nós nem sabíamos do que o Sol era feito, muito menos o que o alimentava!

Crédito da imagem: Fotografia de paisagem por Barney Delaney.

Pelas leis da gravidade, sabemos há séculos que tinha que ter cerca de 300.000 vezes a massa da Terra e, pelas medições da energia recebida aqui na Terra, sabíamos quanta energia ela libera: 4 × 10^26 Watts , ou cerca de 10^16 vezes mais do que as usinas de energia mais poderosas do nosso planeta.

Mas o que não era conhecido era de onde tirava sua energia. Ninguém menos do que Lorde Kelvin partiu para resolver essa questão.

Crédito da imagem: NASA / ISS / Space Shuttle Atlantis.

A partir do trabalho recente de Darwin, ficou evidente que a Terra precisava de pelo menos centenas de milhões de anos para a evolução produzir a diversidade de vida que vemos hoje, e dos geólogos contemporâneos, a Terra aparentemente existia há pelo menos um par de anos. bilhões de anos. Mas que tipo de fonte de energia poderia ser tão energética por tanto tempo? Lord Kelvin – o famoso cientista que descobriu o zero absoluto – considerou três possibilidades:

1. ) Que o Sol estava queimando algum tipo de combustível.
2. ) Que o Sol estava se alimentando de material de dentro do Sistema Solar.
3. ) Que o Sol gerou sua energia a partir de sua própria gravidade.

Vamos dar uma olhada em cada um deles.

Crédito da imagem: Manchester Monkey do Flickriver, via http://www.flickriver.com/photos/manchestermonkey/206463366/ .

1.) Que o Sol estava queimando algum tipo de combustível. A primeira possibilidade, que o Sol queimasse algum tipo de fonte de combustível, fazia muito sentido.

Dado que agora sabemos que o Sol é composto principalmente de hidrogênio, e como o hidrogênio queima facilmente aqui na Terra, parece muito simples que queimar uma reserva tão gigante de hidrogênio poderia fornecer uma tremenda quantidade de energia. De fato, se o Sol fosse feito inteiramente de hidrogênio, e considerássemos que o combustível de hidrogênio queimasse exatamente da mesma maneira que aqui na Terra, haveria combustível suficiente para o Sol produzir essa incrível quantidade de energia – 4 × 10 ^ 26 Watts — para dezenas de milhares de anos só. Infelizmente, embora isso seja bastante longo quando comparado a, digamos, uma vida humana, não é suficientemente longo para explicar a longa história da vida, da Terra ou do nosso Sistema Solar. Kelvin, portanto, foi capaz de descartar essa primeira opção.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.

2.) Que o Sol estava se alimentando de material de dentro do Sistema Solar. A segunda possibilidade era um pouco mais intrigante. Embora não seja possível sustentar a produção de energia do Sol a partir de quaisquer átomos de hidrogênio que estejam lá, em princípio seria possível adicionar continuamente algum tipo de combustível ao Sol para mantê-lo queimando. Era bem sabido que cometas e asteroides abundam em nosso Sistema Solar, e desde que houvesse combustível novo (não queimado) suficiente sendo adicionado ao Sol a uma taxa aproximadamente constante, sua vida útil poderia ser estendida em grandes quantidades.

No entanto, você não pode adicionar um arbitrário quantidade de massa, porque em algum momento, o aumento da massa do Sol mudaria ligeiramente as órbitas dos planetas, que foram observadas com incrível precisão desde o século 16 e a época de Tycho Brahe. Um cálculo simples mostrou que mesmo apenas adicionar uma pequena quantidade de massa ao Sol – menos de um milésimo de um por cento nos últimos séculos – teria um efeito mensurável, e que as órbitas elípticas constantes e observadas descartaram essa opção. Então, Kelvin raciocinou, isso deixou a opção #3.

Crédito de imagem: NASA, ESA
/ G. Bacon (STScI).

3.) Que o Sol gerou sua energia a partir de sua própria gravidade. A energia liberada poderia ter sido alimentada pela contração gravitacional do Sol ao longo do tempo. Em nossa experiência comum, uma bola levantada a uma certa altura na Terra e depois liberada ganhará velocidade e energia cinética à medida que cai, e isso é convertido em calor (e deformação) quando colide com a superfície da Terra e fica em repouso. Bem, esse mesmo tipo de energia inicial – energia potencial gravitacional – faz com que as nuvens moleculares de gás aqueçam à medida que se contraem e se tornam mais densas.

Além disso, como esses objetos agora são muito menores (e mais esféricos) do que eram quando eram nuvens de gás difusas, levará muito tempo para irradiar toda essa energia térmica através de sua superfície. Kelvin foi o maior especialista do mundo em como a mecânica de como isso aconteceria, e o mecanismo Kelvin-Helmholtz recebeu o nome de seu trabalho sobre esse assunto. Para um objeto como o Sol, Kelvin calculou, seu tempo de vida para emitir tanta energia quanto seria da ordem de dezenas de milhões de anos: algo entre 20 e 100 milhões de anos para ser mais preciso.

Crédito da imagem: fir0002 | do flagstaffotos.com.au , sob o CC by-NC.

Claro, nós agora sabemos que nosso Sistema Solar é da ordem de 4,5 bilhão anos de idade, e que Nenhum das respostas de Kelvin estavam muito certas. A terceira opção é realmente como as anãs brancas são alimentadas, por que elas são tão pequenas (a massa do Sol confinada em um volume do tamanho da Terra) e brilham fracamente por muitos trilhões de anos. E o raciocínio de Kelvin para descartar a primeira e a segunda opções ainda são válidos.

Havia uma coisa que ele não sabia, no entanto: havia um novo tipo de combustível .

Crédito da imagem: Departamento de Defesa dos EUA.

A mesma reação que alimenta a bomba de hidrogênio mostrada aqui – fusão nuclear – também alimenta o Sol e todas as estrelas da sequência principal! Ou seja, a grande maioria das estrelas no céu noturno queima hidrogênio em seu núcleo e todo estrelas verdadeiras (não marrons ou anãs brancas) que são visíveis da Terra uma vez fundiram hidrogênio em hélio em seus interiores.

Crédito da imagem: classificação espectral Morgan-Keenan-Kellman, pelo usuário da Wikipédia Kieff.

Mas quão isso acontece? Na verdade, é uma história incrível, com muitas ressalvas que você pode não esperar. Vamos começar em nosso Sistema Solar, nos planetas com os quais estamos familiarizados.

Crédito da imagem: Jeff Root em freemars.org.

Não deveria ser surpresa que Mercúrio, o menor planeta, seja o menos massivo, e que Júpiter, o maior planeta, seja o maioria maciço. Mas o que pode ser surpreendente é que Saturno, o nosso Sistema Solar segundo maior planeta, é quase do tamanho de Júpiter, com 85% do seu diâmetro. Mas apesar desse tamanho comparável, é apenas um terço a massa de seu superior joviano!

A chave para entender por que isso acontece – e como o Sol (e todas as estrelas) brilham – é descer ao nível atômico.

Crédito da imagem: Universidade de Manchester.

Não é, como você poderia esperar, que os dois mundos sejam feitos de átomos significativamente diferentes; Eles não são. É que Júpiter e Saturno são feitos de coisas quase idênticas, mas Júpiter realmente tem cerca de três vezes mais disso como Saturno faz. A grande diferença é que Júpiter tem tanto massa que os próprios átomos começam a comprimir uns aos outros no centro, empacotando-os cada vez mais juntos à medida que mais massa se acumula.

Isso ficou realmente fascinante à medida que descobrimos planetas fora o Sistema Solar, porque como os planetas ficam muito mais massivos do que Júpiter, eles começam a ficar ainda mais menor em tamanho.

Crédito da imagem: F, Fressin et al., 2007, retirado de oca.eu.

À medida que você torna seu objeto cada vez mais massivo, ele continua a encolher e encolher. No momento em que seu planeta está prestes 70 vezes tão massivo quanto Júpiter – ou cerca de 8% da massa do Sol – os átomos de hidrogênio no núcleo são tão densos e sob tanta pressão que podem realmente começar fundindo juntos em elementos mais pesados!

Crédito da imagem: Randy Russell, do processo de fusão da cadeia próton-próton.

E quando isso acontece, sua massa grande demais para ser um planeta se expande. Quando você era apenas um planeta, a gravidade puxa todos os seus átomos para dentro, tentando reduzi-los ao menor espaço possível, mas os próprios átomos podem resistir a isso. Mas uma vez que você atinge uma densidade muito grande em uma pressão muito alta, e a fusão começa, você começa transformando massa em energia.

Mas provavelmente não acontece do jeito que você pensa. Você provavelmente tem uma visão em sua cabeça semelhante à imagem acima, de prótons colidindo uns com os outros e se fundindo, em uma cadeia, em elementos mais pesados. No entanto, isso não está certo, nem mesmo em nosso Sol.

Crédito da imagem: Ron Miller da Fine Art America, via http://fineartamerica.com/featured/a-cutaway-view-of-the-sun-ron-miller.html .

Uma temperatura central de 15.000.000 K – que é o que alcançamos no núcleo do nosso Sol – significa uma energia média de 1,3 keV por próton. Mas a distribuição dessas energias é Peixe , o que significa que há uma pequena probabilidade de ter prótons com energias extremamente altas e velocidades que rivalizam com a velocidade da luz. Com 10^57 prótons (dos quais talvez algumas vezes 10^55 estão no núcleo), obtenho a maior energia cinética que um próton provavelmente terá é de cerca de 170 MeV. Isto é quase ( mas não exatamente) energia suficiente para superar a barreira de Coulomb entre prótons.

Mas nós não precisar superar completamente a barreira de Coulomb, porque o Universo tem outra saída para essa bagunça: a mecânica quântica!

Crédito da imagem: RimStar.org, via http://rimstar.org/renewrg/solarrnrg.htm .

Os prótons individuais no núcleo de uma estrela podem não ter energia suficiente para superar a força repulsiva causada por suas cargas elétricas, mas sempre há uma chance de que essas partículas possam sofrer tunelamento quântico e acabar em um estado ligado mais estável (por exemplo, deutério). que causa a liberação dessa energia de fusão. Mesmo que a probabilidade de tunelamento quântico seja muito pequena para qualquer interação próton-próton em particular, algo na ordem de 1 em 10^28 – ou o mesmo que suas chances de ganhar na loteria Powerball três vezes seguidas – o fato que há tantas interações no núcleo acontecendo continuamente significa que uma enorme
4 × 10^38 prótons se fundem em hélio a cada segundo em nosso Sol.

Crédito da imagem: missão TRACE da NASA: Região de Transição e Explorador Coronal.

E esse processo, de fusão nuclear alimentado pela física quântica, é o responsável por alimentar a grande maioria das estrelas. Depois de conseguir, o que essa energia – na forma de radiação – faz?

Ele empurra para fora. Em vez de átomos segurando uma estrela contra a gravidade, agora é a radiação da fusão nuclear que você começou. Uma estrela de baixa massa como uma anã vermelha é muitas vezes maior que Júpiter, enquanto uma estrela tão massiva quanto o Sol é significativamente maior ainda.

Crédito da imagem: David Jarvis de http://davidjarvis.ca/dave/gallery/star-sizes/ .

Uma estrela do tipo G como o nosso Sol pode viver de 10 a 15 bilhões de anos, enquanto uma estrela anã vermelha fraca e de baixa massa (uma estrela M) pode viver de centenas de bilhões a muitos trilhões anos, muito mais do que a idade do Universo!

Mas, por outro lado, à medida que você se torna cada vez mais massivo, seu núcleo de queima de fusão fica progressivamente maior e maior. As maiores e mais azuis estrelas O pesam mais de 100 vezes a massa do nosso Sol e queimam todo o seu complemento de combustível de hidrogênio em menos de 1 milhões de anos!

Surpreendentemente, para todas as estrelas que queimam hidrogênio como o nosso Sol, o único fator determinante para a vida da estrela é sua massa.

Crédito da imagem: ESA e NASA,
Agradecimentos: E. Olszewski (Universidade do Arizona).

Então, mesmo que não pareça, a razão pela qual o Sol queima seu combustível na taxa que queima é porque este é o certo taxa de sua massa. Dado que a fusão nuclear produz a radiação necessária para cancelar a força gravitacional do Sol em todo o seu interior, é essa queima nuclear que impede o Sol de se expandir ou se contrair. Quanto maior a sua estrela, mais radiação está sendo emitida e mais rápido você está queimando seu combustível.

E é assim que o Sol funciona, de dentro para fora!

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