um universo de cada vez
suponha que você queria construir uma estrela. Talvez você faça parte de uma civilização avançada Kardashev Tipo 3, e você precisa fazer uma estrela para o seu projeto de ciência da terceira série. Como você faria para criar uma estrela?
em um nível básico, é muito simples construir uma estrela. Basta reunir o valor de gás e poeira de uma estrela, deixá-la entrar em colapso sob seu próprio peso e, com tempo suficiente, uma estrela se formará. É assim que as estrelas se formam naturalmente. Mas como podemos ser classificados neste projeto, seria bom ter uma ideia de quanta massa podemos precisar e qual pode ser o tamanho e a temperatura da estrela resultante.
a resposta Depende um pouco do material que você usa e de como o material se comporta sob diferentes temperaturas e pressões (o que às vezes é chamado de equação de Estado). Como o material mais comum no universo é o hidrogênio, vamos manter as coisas simples e assumir que vamos construir nossa estrela a partir de hidrogênio puro. Como o hidrogênio tem uma equação de estado muito simples, é fácil calcular o que acontecerá à medida que construímos nossa estrela.
tamanho dos planetas por massa.
quando começarmos a reunir hidrogênio, duas coisas começarão a acontecer. A primeira é que a atração gravitacional entre os átomos de hidrogênio começará a colapsar o gás sob seu próprio peso. A segunda é que a pressão do hidrogênio vai empurrar para trás contra o peso. Dado o tempo, o gás atingirá o equilíbrio hidrostático, onde a pressão do gás é igual ao seu peso, momento em que você tem uma bola estável de hidrogênio. Isso por si só não é suficiente para fazer uma estrela. Se você reunisse a massa de hidrogênio de Saturno, o que você teria seria um Planeta Do Tamanho de Saturno, Não uma estrela. A solução óbvia é simplesmente adicionar mais hidrogênio, o que tornaria seu planeta cada vez maior. Eventualmente, sua bola de gás cresceria para um Planeta Do Tamanho de Júpiter, e você continua adicionando mais hidrogênio.
mas acontece que algo interessante acontece quando você continua adicionando mais hidrogênio ao seu planeta. Quanto mais hidrogênio você tem, mais massa você tem, e isso significa mais peso. O gás é espremido com mais força e, como resultado, comprime. Então, se você dobrar a massa do seu Planeta Do Tamanho de Saturno, você não terá um planeta duas vezes maior que Saturno. Você obtém um planeta um pouco maior que Saturno, mas com uma densidade maior. Por exemplo, Júpiter tem mais de três vezes a massa de Saturno, mas apenas cerca de 15% maior em tamanho. No entanto, Júpiter tem uma densidade média cerca de duas vezes maior que a de Saturno.Conforme você continua adicionando mais massa, seu planeta ficará maior até cerca de 3 massas de Júpiter. Nesse ponto, o peso de sua bola de hidrogênio é tão grande que adicionar mais realmente torna o planeta menor. Como resultado, um planeta 10 vezes a massa de Júpiter seria aproximadamente do mesmo tamanho que o próprio Júpiter. Isso representa um verdadeiro desafio para os astrônomos que estudam exoplanetas. Só porque um planeta tem o tamanho de Júpiter não significa que tenha uma massa de Júpiter. O mesmo vale para planetas menores. Um planeta” Super-Terra ” um pouco maior do que a terra poderia ser um planeta rochoso ou um pequeno planeta semelhante a Netuno, dependendo do que é feito.
anãs marrons vs estrelas. Crédito: P. Marenfeld & noao / AURA / NSF
uma vez que sua bola de hidrogênio atinge cerca de 15 massas de Júpiter, ela entra no regime de anãs marrons. Adicionar mais massa continua a torná-lo menor, mas a essa altura a temperatura de seu interior começa a desempenhar um papel significativo. Nosso modelo simples de equilíbrio hidrostático não é suficiente. O hidrogênio no centro está sendo espremido com tanta força que aquece significativamente. Portanto, embora uma anã marrom tenha aproximadamente o mesmo tamanho de Júpiter, ela pode ser mais de 10 vezes mais quente. Adicionar mais massa continua a encolher ligeiramente a anã marrom, mas chega um ponto em que o interior fica tão quente que aumenta a pressão do hidrogênio mais rápido do que o peso adicionado pode apertar. Assim como há um tamanho máximo para um planeta, há um tamanho mínimo para uma anã marrom. Esse tamanho mínimo é de cerca de 80% do de Júpiter, ponto em que uma anã marrom tem uma temperatura de cerca de 2000 K. Uma anà tão marrom pareceria uma estrela pequena e fraca.
Tamanho vs massa para estrelas da sequência principal.
mas uma verdadeira estrela é aquela em que a fusão nuclear ocorre em seu núcleo. A luz e o calor de uma estrela não se devem à contração gravitacional, mas sim à criação de energia fundindo hidrogênio em hélio. Isso começa a ocorrer quando sua bola de hidrogênio atinge cerca de 90 massas de Júpiter, que coincidentemente tem a mesma massa de uma anã marrom de tamanho mínimo. Agora que você fez uma estrela, adicionar mais hidrogênio só a torna maior e mais quente. Como as estrelas fundem hidrogênio em seu núcleo, seu tamanho e densidade mudam com o tempo. Mas se considerarmos apenas Estrelas estáveis da sequência principal, então há uma relação simples entre massa e tamanho. Então você pode simplesmente decidir quanto hidrogênio usar e calcular o tamanho da sua estrela.
claro que esta é apenas uma simples estrelas hipotéticas. As estrelas reais não são feitas puramente de hidrogênio e, dependendo de sua origem e idade, podem se comportar de maneira muito diferente da nossa estrela simples. Os detalhes serão deixados como um exercício de lição de casa para o leitor.