زندگی و مرگ یک ستاره
چرخه زندگی ستارگان سه الگوی کلی را دنبال می کند که به جرم آنها وابستگی دارد. 1) ستارگان پر جرم، که جرمشان از 8 برابر جرم خورشید بیشتر است. 2) ستارگان با جرم متوسط، که جرمشان از 5/0 تا 8 برابر جرم خورشید است. خود خورشید نیز در این دسته از ستارگان جای دارد.3) ستارگان با جرم کم، که جرمشان بین 1/0تا 5/0 جرم خورشید می باشد. اجرامی که جرم آنها از 1/0 جرم خورشید کمتر است هرگز به دمای مرکزی لازم برای شروع سوخت هیدروژن نمی رسند.
زندگی یک ستاره را میتوان به شش دوره تقسیم کرد:
1. تولد ( تراکم موضعی ماده سحابی )
2. نوباوگی ( مرحله انقباض )
3. بلوغ (رشته اصلی )
4. پختگی ( غول سرخ )
5. کهولت ( متغیرها )
6. آخرین مراحل( کوتوله های سفید ،ستاره های نوترونی و سیاهچاله ها )
سرگذشت یک ستاره تا حد زیادی بسته به جرم آن است.
1.تولد:
نقطه ی آغاز ما سحابی ای است در فضای میان ستاره ای. چگالی متوسط ماده در سحابی چندین هزار اتم در سانتی متر مکعب است. دما فقط چند درجه بیش از صفر مطلق ، فرضا k°3 است.
سحابی ها فقط مرکب از هیدروژن و هلیوم بودند. نیروهای گرانشی کمک بزرگی به تجمع ماده در این نواحی متراکم می کنند و توده مادی مجزایی را، پدید می آورند که پیش-ستاره نامیده می شود و احتمالا (27)^10 (یک بیلیون بیلیون بیلیون) تن جرم دارد. به این ترتیب ستاره ای زاده می شود. نخستین ستاره ها، شاید 10 بیلیون سال پیش تشکیل شدند. ستاره در هنگام تولد به قدری سرد است که نور مرئی گسیل نمی کند. در این زمان فقط امواج رادیویی گسیل می شود.
2. نوباوگی
جرم عظیم ماده سحابی، تحت تاثیر جاذبه گرانشی خود منقبض می شود و به این ترتیب انرژی پتانسیل مکانیکی را به گرما تبدیل می کند. گسیل تابش اصلی از امواج رادیویی به امواج فروسرخ تغییر می یابد. شی را در این حالت ستاره فروسرخ نامند.
این جریان انقباض و گرم شدن به سرعت ( در مقیاس نجومی) و در دوره ای حدود 30 میلیون سال صورت می پذیرد و دمای قسمت مرکزی از چند درجه مطلق به حدود 20 میلیون درجه مطلق می رسد . حال دیگر نوباوگی ستاره سپری شده و ستاره به دوران بلوغ پا گذاشته است. به اصطلاح علمی، ستاره به خط رشته اصلی در نمودار هرتسپرونگ-راسل رسیده است.
3. بلوغ (ستارگان رشته اصلی)
ستاره تا میلیونها سال به انقباض خود ادامه می دهد. این انقباض ادامه خواهد داشت تا زمانیکه نیروی انرژیهای تولید شده در مرکز ستاره با نیروی گرانشی که باعث انقباض آن می گردد، به تعادل برسد. در این زمان، گدازش هیدروژنی در مرکز ستاره، همه انرژی آن را تولید می کند و ستاره وارد طولانی ترین دوره عمر خود که به آن رشته اصلی می گوییم، می شود.
6. مراحل پایانی تحول ستاره ای
زمانی که هیدروژن سوزی در هسته ی ستاره متوقف میشود ، مرحله نهایی تحول رشته اصلی روی میدهد ، در مورد ستاره ای با جرم خورشید ، هسته شروع به انقباض میکند در حالی که پوسته ی هیدروژن سوزی ضخیم به مصرف سوخت قابل دسترس ادامه میدهد . با افزایش دما در پوسته ناشی از انقباض هسته ، پوسته در واقع انرژی بیشتری از آنچه هسته روی رشته ی اصلی تولید کرده تولید میکند ، و سبب افزایش تابندگی می گردد و منجر به تحول رو به قرمز میشود . این مرحله تحولی به عنوان شاخه زیر غول شناخته میشود .
ستاره غول ستارهای است که به طرز قابل ملاحظهای شعاع و درخشندگی بیشتری از یک ستاره رشته اصلی با همان دمای سطح دارد. یک ستاره غول معمولاً دارای درخشندگیای میان ۱۰ و ۱۰۰۰ برابر درخشندگی خورشید است.
سراسر زندگي ستاره به يك ميدان نبرد شبيه است. نيروي گرانش سعي دارد كه ستاره را منقبض كند، ولي با مقاومت فشار رو به بيرون ستاره مواجه ميگردد. سرانجام ستاره تحليل ميرود و گرانش ، كنترل را بدست ميگيرد. در اين حالت ستاره شكل كاملا متفاوت با ستارهاي معمولي و سالم به خود ميگيرد.
بعد از آنكه ستاره شكل ميگيرد واكنشهاي هستهاي در داخليترين هسته ستاره ، هيدروژن را به هليوم تبديل ميكند و انرژي آزاد ميگردد. سرانجام همه هيدروژن درون آن به مصرف ميرسد. لايههاي بيروني باد ميكنند تا ستاره را به اندازه غول برسانند.
در نهايت هيچ منبع ممكن براي آزادسازي انرژي باقي نميماند. ستارگان كوچكتر در اثر انقباض به كوتولههاي سفيد تبديل ميشوند. ستارگان سنگينتر بهصورت ابرنواختر منفجر ميشوند. ماده بيرون ريخته از يك ابرنواختر ، بخشي از گاز بين ستارهاي را تشكيل ميدهد كه زادگاه ستارگان جديد است.
مدت زمانیکه ستاره در این مرحله رشته اصلی می ماند به جرم آن بستگی دارد. ستارگان با جرم بیشتر، هیدروژن خود را با سرعت بیشتری می سوزانند در نتیجه زمان کمتری در این مرحله باقی می مانند. یک ستاره با جرم متوسط می تواند بیلیونها سال در این رشته باشد.
مرحله غول سرخ
وقتی همه هیدروژن موجود در هسته یک ستاره با جرم متوسط به هلیوم تبدیل شد، گرانش بار دیگر دست به کار شده و منجر به انقباض شدید ستاره می گردد. به دلیل این انقباض سریع، دما به شدت در مرکز و مناطق اطراف آن بالا می رود. با بالا رفتن دما، هیدروژن موجود در پوسته اطراف مرکز شروع به سوختن می کند. انرژی حاصل شده از این گدازش حتی از انرژی که قبلا در مرکز تولید می شد نیز بیشتر است. این انرژی مازاد، لایه های بیرونی ستاره را به شدت به بیرون هل می دهد در نتیجه ستاره تا حد بسیار زیادی بزرگ می شود. با بزرگ شدن اندازه ستاره، لایه های بیرونی آن سرد می شوند، در نتیجه رنگ ستاره سرخ می گردد. از طرفی با بزرگتر شدن سطح ستاره، درخشش آن نیز بیشتر می شود.
مرحله غول جانبی
هنگامیکه سوخت هلیوم موجود در هسته به اتمام رسید، هسته منقبض و در نتیجه داغتر می شود. لایه های بیرونی ستاره منبسط می شوند. ستاره بار دیگر به یک غول تبدیل می گردد اما اینبار آبی تر و درخشانتر از بار پیش.
بسيار غول آساها
يك بسیار غول آسا (supergiant) ) بزرگ ترين نوع ستاره ای است که تاکنون شناخته شده است. بعضي از آنها تقريباً به بزرگي منظومه شمسی ما هستند. ابط الجوزا و ريگال از بسيار غول آساها هستند. اين ستارگان نادرند. موقعي كه بسيار غول آساها مي ميرند، تبدیل به ابرنواختر و سياهچاله مي شوند.
تشكيل كوتوله سفيد
هنگامي كه آتش هستهاي رو به كاهش ميگذارد، گاز داغ درون ستاره سرد ميشود. بنابراين نيروي گرانش غالب ميشود. آنچه در اين مرحله روي ميدهد، به جرم ستاره بستگي دارد. ستارهاي رو به مرگ مانند خورشيد ، درهم فرو ميريزد تا به اندازه زمين برسد. در اين روند هيچ انفجار واقعي و قابل توجه رخ نميدهد. ستاره فقط به تودهاي از خاكستر تنزل پيدا ميكند و به آرامي سوسو ميزند. در اين حالت ستاره به يك كوتوله سفيد تبديل ميشود.
ستاره کوتوله فراوانترین نوع ستاره در کهکشان ما است. ستارگان کوتوله از ستارگان معمولی هستند. اکثریت ستارگان کوتوله آّبی سنگین (کوتولههای سفید) و دمای سطحی آنها ۵۰٬۰۰۰ درجه کلوین میباشند و یک میلیون بار از خورشید درخشانتر میباشند. اقلیت ستارگان کوتولههای قرمز بسیار تاری هستند که دمای سطحی فقط ۲٬۵۰۰ درجه کلوین دارند و یک هزار بار از خورشید ما درخشاندگی کمتری دارند.
كوتوله هاي زرد ستارگان كوچك رشته اصلي هستند. خورشيد كوتوله زرد است.
یک ستاره کوتوله سرخ غالبا به ستارهای گفته میشود که جرمی کمتر از نصف جرم خورشید داشته باشد (کمتر از ۰٫۰۷۵ جرم خورشید را کوتوله قهوهای گویند) و دمای سطحی آن کمتر از ۳٬۵۰۰ درجه کلوین باشد.
كوتوله قرمز هم در رشته اصلي است و بسيار صاف، سرد و كوچك است و دماي سطحش زير حدود 4000 كلوين است. كوتوله هاي قرمز معمول ترين نوع ستاره ها هستند. "پروكسيما سنتوري" يك كوتوله قرمز است.
ظرف چند هزار سال، غول جانبی بخار می شود. و گدازش در هسته متوقف می گردد. هسته مرکزی باعث روشن شدن پوسته های گازی اطراف خود می شود که آنها را ابر سیاره ای نامیدند. پس از محو شدن ابر سیاره ای، هسته باقیمانده به نام کوتوله سفید شناخته می شود. این نوع از ستارگان بیشتر حاوی کربن و اکسیژنند .
كوتوله قهوه اي ستاره اي است كه جرمش به اندازه اي كوچك است كه همجوشي هسته اي نمی تواند در هسته اش رخ دهد (دما و فشار در هسته اش براي همجوشي ناكافي است). يك كوتوله قهوه اي خيلي درخشان و تابناك نيست.
مرحله کوتوله سیاه
کوتوله های سفید سوختی برای گدازش ندارند، با گذشت بیلیونها سال پیوسته سردتر می شوند و در نهایت به یک کوتوله سیاه، جرمی بسیار کدر، تبدیل می گردند. کوتوله سیاه نماد پایان چرخه زندگی یک ستاره با جرم متوسط است.
تشكيل ابرنواختر
ستاره رو به مرگ ، ممكن است در چند ثانيه آخر حيات خود ، به صورت يك ابرنواختر شعلهور شود. درخشش آن چند روز از تمام كهكشانها پيشي ميگيرد. از بخش مركزي ابرنواختر ، يك ستاره نوتروني تشكيل ميشود.
تشكيل ستاره نوتروني
بعد از اين كه انفجار ابرنواختر نوع دو رخ مي دهد، هسته باقي مي ماند. اگر هسته كمتر از حدود سه تای جرم خورشيد جرم داشته باشد، به يك ستاره نوتروني تبديل مي شود. این شیء تقريباً به طور كامل از نوترون تشكيل شده. ستاره نوتروني يك ستاره بسیار متراكم و خيلي كوچك است كه بيشتر از نوترون هاي تنگ هم قرار گرفته تشکیل شده و جو باريك هيدروژنی دارد.
اما اگر جرم ستارهاي بيشتر از خورشيد باشد، فشار فرو ريزش مرحله كوتوله سفيد را نيز پشت سر ميگذارد و متوقف نميشود. فرايند فرو ريزش تا جايي كه قطر ستاره به حدود ده كيلومتر برسد، ادامه پيدا ميكند.
هنگامیکه انقباض هسته دمای آنرا به حد کافی افزایش می دهد، با سوختن کربن، نئون، سدیم و منیزیوم تولید می شود. این مرحله تنها برای 10.000 سال ادامه می یابد. نئون ترکیب شده و اکسیژن و منیزیوم تولید می کند. این فرایند حدودا 12 سال طول می کشد. سپس با سوختن اکسیژن، سیلی و سولفور تولید می شود. این فرایند حدودا 4 سال طول می کشد. در آخر با سوختن سیلی ، آهن تولید می شود. این فرایند تنها حدود 1 هفته دوام دارد. سوخت آهن به جای تولید انرژی، انرژی مصرف می کند. در نتیجه ستاره به پایان کار خود رسیده است. چون دیگر نمی تواند برای حفظ تعادل گرانش، انرژی تولید کند.
وقتی جرم هسته آهنی به 4/1 برابر جرم خورشید برسد، نیروی گرانش، هسته را متلاشی می کند. در نتیجه دمای هسته تا نزدیک 10 بیلیون K می رسد! در این دما، هسته آهن شکسته شده و به هسته های سبکتر و در آخر به پروتون و نوترون تبدیل می شود. با ادامه فشار، پروتونها با الکترونها ترکیب می شوند و نوترون و نوترینو تولید می کنند. نوترینوها 99 درصد از انرژی ایجاد شده از انفجار هسته را در خود حمل می کنند.
حالا هسته، یک توپ فشرده شده حاوی نوترون است. ارتجاع توپ نوترونی یک موج کره ای شکل به بیرون از ستاره ارسال می کند. بیشتر انرژی حاصل از این موج صرف شروع گدازش و تشکیل عناصر جدید می شود. با رسیدن موج به سطح ستاره، دما تا 200.000K افزایش می یابد. در نتیجه ستاره منفجر شده و موادی را در فضا با سرعت 15.000 تا 40.000 کیلومتر در ثانیه رها می کند. نام این انفجار مهیب ابر نواختر نوع دو است. پس از اینکه یک انفجار ابر نواختر نوع دو رخ داد، قسمتی از هسته ستاره ای باقی می ماند. اگر جرم هسته باقیمانده کمتر از سه برابر جرم خورشید باشد تبدیل به یک ستاره نوترونی می شود.
ابر نواخترها فضا را آکنده از گاز و غباری می کنند که ستارگان دیگر از دل آن پا به عرصه گیتی می نهند.
تشكيل تپ اختر
برخي از ستارگان نوتروني به سرعت ميچرخند و در هر بار چرخش ، تابشهايي در محدوده امواج راديويي گسيل ميكنند. اينگونه ستارگان نوتروني ، تپ اختر ناميده ميشوند. ستاره تپنده یا تپ اختر (pulsar ) يك ستاره تپنده، ستاره ای نوتروني است كه با سرعت مي چرخد و در ضربان هایش انرژي خارج مي كند.
تشكيل سياهچالهها
اگر هسته باقیمانده از یک ابر نواختر جرمی بیش از 3 برابر جرم خورشید داشته باشد، هیچ نیروی شناخته شده ای نمی تواند در مقابل گرانش آن مقاومت کند. هسته آنقدر فشرده می شود که یک سیاهچاله به وجود می آید.
يك ستاره رو به مرگ ، مثلا با جرمي 10 برابر جرم خورشيد چنان زير بار گرانش توليد شده قرار ميگيرد كه هيچ نيرويي نميتواند در برابر فرو ريزش آن مقاومت كند. وقتي كه چنين ستارهاي منقبض ميشود و به اندازهاي در حدود دو كيلومتر ميرسد، گرانش به حدي زياد ميشود كه سرعت گريز از سطح آن به بيشتر از سرعت نور ميرسد.
از موشك گرفته تا ذرات نور و علائم راديويي ، هيچ يك نميتوانند از سطح آن بگريزند. اين گرانش به قدري نيرومند است كه همه چيز را به طرف خود ميكشد. در اين حالت ، ستاره به يك سياهچاله تبديل ميشود. سياهچالهها را نميتوان ديد، چون نور هم نميتواند از سطح آن بگريزد.