moti convettivi nelle nane rosse

[aldo58]

Cari amici del Forum,

Potreste chiarirmi meglio come funzionano i moti convettivi presenti nelle nane rosse e perchè ipotizzarne la presenza? Grazie

[Red Hanuman]

Partiamo dal presupposto che l'unica reazione nucleare possibile all'interno delle nane rosse è costituita dalla cosiddetta "catena protone-protone (https://it.wikipedia.org/wiki/Catena_protone-protone)", perchè le altre tipologie di fusione richiedono condizioni che non si possono riscontrare nelle RD (red dwarfs).

Ora, i meccanismi possibili di trasmissione del calore sono conduzione, convezione e irraggiamento.

Nelle stelle la conduzione svolge un ruolo marginale, poiché il libero cammino medio (cioè la distanza media percorsa da una particella fra due urti successivi) è molto piccolo, e quindi essa si dimostra un meccanismo di trasferimento energetico poco efficiente.

Quindi, rimangono da considerare solo convezione e irraggiamento.

I modelli stellari che considerano la catena protone - protone come meccanismo di produzione, assumono una ragionevole composizione chimica delle stelle e l'equilibrio esclusivamente radiativo della stella, falliscono nell'intento di ricreare le condizioni osservate in natura perchè la luminosità risultante dell'astro è maggiore di quella osservata.

Considerando però le relativamente basse temperature presenti nel core delle RD, l'opacità della materia in esse contenute e le densità in gioco, emerge che esse sono favorevoli al trasporto per convezione del calore dall'interno della stella verso l'esterno.

Inoltre, la convezione comporta il rimescolamento del materiale del core e un minor gradiente di temperatura; con il risultato di aumentare la vita dell'astro, abbassarne la temperatura e la luminosità.

I modelli sviluppati utilizzando le suddette ipotesi danno risultati coerenti con quanto osservato.

Si pensa che le RD fino a 0,35 masse solari siano completamente convettive, mentre al di sopra di questo limite inizierebbe a formarsi nel core una zona radiativa.

[aldo58]

Grazie della risposta, ma alcuni passaggi non mi sono chiari.
Se la fusione nucleare si ferma al solo elio, la gravità dovrebbe comprimere la stella, la temperatura sale e il calore circola per convezione. Quando la compressione gravitazionale termina questo meccanismo si interrompe e la stella lentamente muore diventando nera, tra migliaia di miliardi di anni. La dissipazione del calore per irraggiamento però non favorisce il raffreddamento della stella e l'accorciamento della vita della stella? In fondo una stella non è un sistema chiuso. Perchè allora queste stelle sono così longeve? Perchè il nucleo è opaco?

[Red Hanuman]

Grazie della risposta, ma alcuni passaggi non mi sono chiari.
Se la fusione nucleare si ferma al solo elio, la gravità dovrebbe comprimere la stella, la temperatura sale e il calore circola per convezione. Quando la compressione gravitazionale termina questo meccanismo si interrompe e la stella lentamente muore diventando nera, tra migliaia di miliardi di anni.

Intanto, qui parliamo di quando la stella esce dalla sequenza principale, cioè di quando termina la sua vita. Non delle sue condizioni normali.

La convezione, una volta esaurito il combustible nucleare perchè l'elio non raggiunge temperature e pressioni sufficienti per fondere, si ferma.

La materia degenerata all'interno della WD (white dwarf, nana bianca) è infatti estremamente densa, molto poco opaca e ha un'elevata conduttività termica; il che comporta un trasferimento di energia dovuto principalmente alla conduzione (quindi, niente moti convettivi perchè non esiste un sufficiente delta termico che li consenta).

Lo strato superiore della WD, invece, è composto di materia normale molto compatta e molto opaca, e trasmette il calore ricevuto dagli strati interni all'esterno per irraggiamento.


La dissipazione del calore per irraggiamento però non favorisce il raffreddamento della stella e l'accorciamento della vita della stella? In fondo una stella non è un sistema chiuso.

Ripeto, stiamo parlando di quanto avviene quando la stella ha finito le reazioni nucleari, ed è in un certo senso morta.

L'irraggiamento trasmette sì energia al vuoto, ma in relazione alla superficie emittente. E siccome la superficie è poca e la massa riscaldata è parecchia e molto calda...


Perchè allora queste stelle sono così longeve? Perchè il nucleo è opaco?


No, stai facendo confusione tra la vita delle RD nella sequenza principale e quella dopo (una volta "morte").

Le RD rimangono nella sequenza principale molto a lungo perchè il tasso di conversione da idrogeno ad elio è molto basso (è in relazione alla massa) e perchè, vista la presenza dei moti convettivi, c'è un continuo rimescolamento di massa nel core.

Nelle stelle più grandi, come il Sole, il trasferimento di energia del core tramite irraggiamento impedisce rimescolamenti, quindi l'elio si accumula nel core rallentando le reazioni nucleari e comportando un lento collasso dello stesso, con aumento del tasso di reazioni nucleari (che sono già ri regola più veloci di quelle nei core delle RD per via della maggiore massa).

In buona sostanza, le RD emettono energia con un tasso relativamente basso e costante, sfruttando inoltre buona parte della loro massa; le stelle più grandi già partono con un tasso di conversione maggiore, in più lo incrementano nel tempo e sfruttano solo una parte della loro massa.

Ecco perchè le RD hanno vite molto lunghe rispetto ad altri astri...