Откуда известно, что в прошлом Солнце светило слабее? Эволюция звёзд

Есть мнение, что в прошлом Солнце было горячее, а его диаметр меньше. Это мнение было высказано в комментарии, автор которого находит странной логику в соответствии с которой в ближайшие сотни миллионов лет светимость Солнца ещё более возрастёт. Почему же тогда говорят, что в конце эволюции наше светило превратится не в белый гигант, а в красный?

...То есть, странно и внутренне противоречиво, как святая граната, в этом мнении всё, начиная с ника комментатора: «Библиоастрономия». Интуитивно ясно, что тут или одно, или другое. Можно или знать об эволюции звёзд, – в частном случае Солнца ведущей к превращению в красный гигант, а затем в белый карлик, – или не знать. Но некоторые как-то совмещают.

Между тем о постепенном увеличении температуры и светимости звёзд главной последовательности в появляющихся на канале публикациях говорится часто. Это важный, даже заслуживший быть названным «парадоксом молодого холодного Солнца», фактор, в том числе и в контексте эволюции биосферы и условий на древней Земле… И не могу даже вспомнить, упоминал ли я ранее механизм нарастания светимости. Наверняка да, но, тем не менее, на нём придётся остановиться.

...Суть же в том, что продукт «солнечного цикла» термоядерного синтеза – гелий, – плотнее горючего – водорода. Соответственно, по мере того как горючее выгорает, плотность ядра звезды растёт. Само же ядро, как и вся звезда, таким образом, постепенно сжимается. Поскольку же рост плотности тела ведёт к повышению гравитационного давления в его недрах, – если сжать от души то раздавит даже нуклоны, как в ядрах нейтронных звёзд, – условия для протекания реакций синтеза улучшаются. Чем больше становится гелия, тем интенсивнее «горит» водород.

В случае Солнца это означает повышения светимости на 1% каждые 100 миллионов лет. Сжатие тоже происходило и продолжается, однако, его масштабы слишком малы, – за те же 100 миллионов лет сравнимы с погрешностью измерения диаметра Солнца, а значит, практически не измеримы… Но не суть. Это всё слишком уж тривиально. И раз уж о механизмах горения звёзд речь зашла, затронуть смысл есть не очевидные и более интересные моменты.

Первый интересный момент, а как повышение светимости и температуры дружит со сжатием? Вроде же, нагревающиеся тела должны расширяться?.. Вроде, должны, но конкретно в случае звёзд это не работает. Как и вообще в случае, когда сжатие является причиной нагрева. Так работает гравитационный коллапс, – сжимающееся под собственным весом тело раскаляется, но всё равно не расширяется, а продолжает сжиматься. Источником тепловой энергии является падение частиц в общем гравитационном поле, но часть выделившегося тепла уносится излучением и тепловое движение на прежнюю высоту частицы уже не забросит…

Механизм же горения звёзд, хоть и термоядерный, но с гравитационным приводом. Термоядерные реакции идут поскольку вещество продолжает сжиматься, а значит лишь замедляют процесс.

Второй момент, – повышение интенсивности реакций уживается с возрастанием концентрации гелия, который в реакциях не участвует и, таким образом, препятствует им. До поры – вполне мирно. Пора же наступает, когда бонус предоставляемый повышением давления оказывается меньше штрафа, накладываемого избытком ядер гелия. Тогда, – вдруг, сразу и окончательно, – звезда в режиме главной последовательности работать перестаёт. Нарастающее давление излучения больше не может сдерживать падение верхних слоёв вещества к гравитационному центру. Коллапс резко ускоряется.

...В этот момент в недрах звезды происходят всякие интересные вещи. Перегруженное гелием ядро стремительно сжимается, выдавливая остатки водорода. Соответственно, отделившийся от гелия, но находящийся под очень высоким давлением водород радостно вспыхивает, подпирая и подбрасывая вышележащие слои, – звезда раздувается… И кажется, что это противоречит вышеизложенному, – растут разом и диаметр, и светимость, но в данном случае повышение интенсивности реакций всё равно оборотная сторона сжатия, – только уже конкретно сжатия гелиевого ядра. Последнее же имеет свой предел, достаточно быстро достигающийся. Рост давления приводит к запуску уже реакции синтеза углерода и кислорода из гелия.

Выделившаяся при этом энергия поджигает оставшийся водород уже во всём объёме. Температура внешних слоёв звезды возрастает в такой мере, что гравитация более не может удерживать газ. Эпично посияв малость в форме красного гиганта звезда рассеивается, теряя половину массы. Соответственно, давление на гелиевое ядро сокращается. Гелий более не горит, и остаток звезды, – тут, конечно, речь о звезде солнечной массы, – превращается в остывающий белый карлик.

Самый же главный вопрос в комментарии, конечно же, «откуда это известно»? Известно же всё это из математических моделей, – а звезда один из самых простых для моделирования объектов (с планетами всё намного сложнее)… Но известно точно, поскольку модели ещё в первой половине прошлого века были проверены наблюдательным путём.

Наблюдать изменение светимости Солнца, например, средствами геологии или палеонтологии, мы не можем. Зато наблюдениям доступны миллионы других звёзд. Астрономия же располагает средствами для измерения массы светил, расстояния до них, а значит и абсолютной светимости. Равно как доступен для измерения и возраст звезды. Зная же перечисленное, можно убедиться что при равной массе светимость всех – «водородных» (относящихся к главой последовательности) звёзд увеличивается с возрастом, и чем выше масса, тем быстрее это происходит.