ستارگان رشته اصلی

Main sequence stars

ستارگان رشته اصلی در هسته خود، همجوشی اتمهای هیدروژن انجام داده و هلیوم تولید می کنند. حدود 90 درصد ستارگان عالم از جمله خورشید ما، ستارگان رشته اصلی به شمار می روند. این ستارگان از یک دهم تا 200 برابر جرم خورشید ما می توانند داشته باشند.

یک ستاره زندگانی خود را به شکل ابری از غبار و گاز شروع می کند. گرانش میان ذرات این ابرها را بسوی هم می کشد. یک پیش ستاره کوچک شکل می گیرد که ماده درون آن در حال تراکم است.

 

تصویر بی نظیر تلسکوپ فضایی هابل از یک پیش ستاره در مراحل اولیه شکل گیری

منبع:

https://scitechdaily.com/hubble-views-protostar-early-evolutionary-stage/

اجرامی که جرمی کمتر از 0.08 جرم خورشید داشته باشند، هیچگاه به مرحله همجوشی هسته ای در هسته خود نمی رسسند. در عوض به کوتوله های قهوه ای تبدیل می شوند، ستارگانی که هیچگاه مشتعل نخواهند شد. اما اگر دارای جرم کافی باشند گاز و غبار در حال تراکم بقدر کافی داغ می شود و نهایتا به دمای کافی برای گداخت هسته ای (فیوژن) می رسد. گداخت هسته ای فشاری رو به بیرون تولید می کند که با فشار گرانشی رو به درون تعادل حاصل کرده و برای ستاره پایداری ببار می آورد.

طول عمر یک ستاره اصلی به جرم آن بستگی دارد. یک ستاره جسیم تر ماده بیشتری در اختیار دارد، لیکن به علت دمای بالاتر هسته خود که به علت گرانش قویتر ایجاد شده سوخت هیدروژنی خود را سریع تر می سوزاند. در حالی که خورشید عمری حدود 10 میلیارد سال در رشته اصلی خواهد داشت، ستاره ای با جرم ده برابر بیشتر تنها 20 میلیون سال در این رشته باقی خواهد ماند. یک کوتوله قرمز که نصف جرم خورشید دارد ممکن است 80 تا 100 میلیارد سال عمر کند که بسیار طولانی تر از لبه عمر عالم یعنی 13.8 میلیارد سال است. به دلیل این عمر طولانی کوتوله های قرمز منابع خوبی برای جستجوی سیارات مناسب برای حیات هستند زیرا برای مدتی طولانی از پایداری برخوردارند.

بیش از 2000 سال پیش هیپارکوس ستاره شناس یونانی برای اولین بار کاتالوگی از ستارگان بر حسب درخشندگی آنها تدوین کرد. او درخشنده ترین ستارگان را از قدر یک و مابقی را تا قدر ششم رده بندی کرد. ستارگان قدر ششم کم نورترین ستارگانی هستند که با چشم غیرمسلح دیده می شوند.

در اوایل قرن بیستم دانشمندان دریافتند که جرم یک ستاره با تابندگی یا میزان نور تولید شده توسط آن متناسب است. هر دو این کمیت ها به دمای ستاره مربوط می شوند. ستارگانی که ده بار پرجرم تر از خورشید هستند هزار برابر درخشندگی دارند.

جرم و درخشندگی ستاره به رنگ آن نیز مربوط می شود. ستارگان جسیم تر داغتر و آبی تر هستند و آنها که جرم کمتری دارند سردتر و قرمز رنگند. خورشید بین این دو طیف قرار داشته و ظاهری زردرنگ دارد.

این ادراک به تدوین نموداری به نام هرتزپرانگ راسل انجامید، نموداری از ستارگان بر حسب درخشندگی و رنگآنها که به نوبه خود بازتابی از دمای آنهاست. بیشتر ستارگان در خطی به نام رشته اصلی قرار می گیرند که از بالای چپ نمودار (داغترین و درخشنده ترین ستارگان) تا پایین و راست (سردترین و تاریک ترین ستارگان) امتداد می یابد.

سرنوشت ستارگان

در نهایت یک ستاره واقع در رشته اصلی ذخیره هیدروژن هسته خود را به اتمام رسانده و به انتهای زندگی خود نزدیک می شود. در این نقطه است که رشته اصلی را ترک می کند.

ستارگانی که کمتر از یک چهارم خورشید جرم دارند مستقیما به کوتوله سفید تبدیل می شوند. کوتوله های سفید در مرکز خود گداخت هسته ای انجام نمی دهند اما هنوز گرما از خود ساطع می کنند. در پایان این کوتوله های سفید به صورت کوتوله های سیاه سرد می شوند اما این اجرام هنوز ماهیت نظری دارند زیرا عالم آنقدر پیر نیست که شاهد سرد شدن کوتوله های سفید بقدر کافی و تشکیل اولین کوتوله های سیاه پس از چند ده میلیارد سال باشد.

نیروی گرانش در ستاره های بزرگتر پس از اتمام سوخت هیدروژن هسته، بر انبساط حرارتی چیره شده و لایه های بیرونی را به سمت درون در هم می فشرد. تا اینکه دما بقدری در مرکز بالا رود که هلیوم در اثر گداخت هسته ای به کربن تبدیل شود. در این نقطه دمای مرکز ستاره بقدری بالا می رود که ستاره به سمت بیرون منبسط شده و چندین برابر بزرگتر از اندازه اولیه می گردد. در این نقطه ستاره به یک غول قرمز تبدیل شده که بسیار کم نورتر از یک ستاره رشته اصلی است. خورشید ما در پایان عمر خود به یک غول قرمز تبدیل خواهد شد البته این واقعه در پنج میلیارد سال آینده روی خواهد داد. دو ستاره داخلی تر تیر و زهره بخار خواهند شد.

مقایسه اندازه خورشید (ستاره زردرنگ وسط تصویر) با یک کوتوله قرمز، یک غول قرمز با جرمی کمتر از 5 برابر خورشید و یک ابرغول آبی با جرمی حدود 150 برابر خورشید (بالا سمت راست)

اگر ستاره اولیه 10 برابر یا بیشتر جسیم تر از خورشید باشد، سوخت هیدروژن هسته خود را در عرض 100 میلیون سال به پایان خواهد رساند و به یک کوتوله سفید بسیار چگال تبدیل می شود. ستاره های جسیم تر با یک انفجار ابرنوستاره ای شدید به عمر خود پایان می دهند و ماده موجود در هسته خود را در عرصه کهکشان پخش می کنند. هسته باقیمانده ممکن است به ستاره نوترونی یا سیاهچاله تبدیل شود.

 https://www.space.com/22437-main-sequence-star.html

چرخه عمر ستارگان

سرگذشت هیجان انگیز تولد، زندگی و مرگ یک ستاره

ستارگان کراتی عظیم از پلاسمای درخشان هستند. تنها در کهکشان راه شیری میلیاردها ستاره وجود دارد که خورشید ما تنها یکی از آنهاست و میلیاردها کهکشان نیز در سراسر عالم وجود دارند. تا به امروز صدها ستاره شناخته شده اند که سیاراتی بر دور آنها می گردند.

یک ستاره از ابر غول آسایی متشکل از هیدروژن و هلیوم که به آهستگی به دور مرکز خود می گردد ساخته می شود. این ابر بواسطه کشش گرانشی خود شروع به فروریختن به درون خود می کند و همچنانکه منقبض می شود، بر سرعت دوران آن افزوده می گردد. در نتیجه بخشهای بیرونی ستاره به یک دیسک شباهت یافته در حالی که بخش های درونی به یک توده کمابیش کروی تبدیل می شود.

این تصویر از تلسکوپ فضایی هابل شکل گیری یک ستاره از ابرهای هیدروژن را نشان می دهد.

چرخه عمر یک ستاره. بالای تصویر یک ابرنوستاره منفجر شده نشان داده شده که ماده لازم برای شکل گیری ستاره ها و منظومه های جدید را فراهم می سازد.

ماده رمبنده (ماده ای که تحت اثر گرانش به درون خود فرو می ریزد) داغتر و چگالتر شده و به یک پیش ستاره (protostar) کروی تبدیل می شود. وقتی گرما در پیش ستاره به 1 میلیون درجه سلسیوس می رسد هسته اتم ها که در حالت عادی یکدیگر را می رانند، سروع به همجوشی می کنند و ستاره مشتعل می شود. همجوشی هسته ای مقدار کمی از جرم این اتمها را به مقادیر هنگفتی انرژی تبدیل می کند. برای مثال یک گرم جرم اگر کاملا به انرژی تبدیل شود انرژی معادل انفجار همزمان 22 هزار تن تی ان تی تولید خواهد کرد!

تحول ستاره ای

چرخه عمر ستارگان از الگویی پیروی می کند که مبتنی بر جرم اولیه آنهاست. ستارگانی با جرم متوسط مانند خورشید یا جرمی بین نصف تا هشت برابر خورشید، ستارگان جسیم با جرمی بیشتر از هشت برابر خورشید و ستارگان کم جرم با جرمی از یک دهم تا نیمی از جرم خورشید رده های اصلی را تشکیل می دهند. بطور کلی هرچه جرم ستاره ای بیشتر باشد طول عمر آن کوتاهتر است. اجرامی با جرم کمتر از یک دهم خورشید دارای کشش گرانشی کافی برای شروع واکنش های همجوشی هسته ای در مرکزخود نیستند. برخی از آنها به ستارگان ناکام به نام کوتوله های قهوه ای تبدیل می شوند.

یک ستاره با جرم متوسط زندگی خود را با ابری شروع می کند که رمبش آن به شکل یک پیش ستاره با دمای سطحی حدود 3725 درجه سلسیوس حدود 100 هزار سال طول می کشد. نتیجه یک ستاره T-Tauri است که ستاره ای متغیر با درخشش متناوب است. این ستاره به مدت 10 میلیون سال دیگر به رمبش ادامه می دهد تا تراکم آن به واسطه کشش گرانشی با انبساط حرارتی ناشی از همجوشی هسته ای آن موازنه یابد. پس از آن یک ستاره رشته اصلی خواهیم داشت که تمامی انرژی خود را از همجوشی هیدروژن در هسته خود بدست می آورد.

هرچه جرم یک ستاره بیشتر باشد سوخت هیدروژن خود را سریعتر مصرف کرده و مدت زمان کوتاهتری در رشته اصلی باقی می ماند. پس از تبدیل تمامی هیدروژن هسته به هلیوم، ستاره بسرعت تغییر می کند. بدون تشعشع هسته ای که در برابر تراکم گرانشی مقاومت کند، گرانش بسرعت ماده موجود در هسته اتم را تحت فشار بی امان خود در هم می شکند که باعث افزایش سریع دمای ستاره می شود. این امر منجر به انبساط عظیم لایه های بیرونی ستاره می شود که به دنبال آن سرد شده و به رنگ قرمز می درخشد. در این مرحله به آن یک غول قرمز گفته می شود.

پس از این مرحله در هسته ستاره، اتمهای هلیوم شروع به همجوشی کرده و به محض تمام شدن هلیوم، هسته منقبض شده و داغتر می شود. بار دیگر ستاره در اثر گرمای فزاینده هسته شروع به انبساط می کند اما آبی تر و درخشان تر از پیش شده و لایه های خارجی خود را به بیرون پرتاب می کند. پس از اینکه پوسته های منبسط شونده محو شدند، هسته باقیمانده و متراکم ستاره به جرمی به نام کوتوله سفید تبدیل می شود که بیشتر از کربن و اکسیژن با دمایی در حدود 100 هزار درجه سانتیگراد تشکیل شده است. از آنجایی که کوتوله های سفید دیگر سوختی برای همجوشی ندارند، بتدریج سردتر و سردتر شده و در طی میلیاردها سال به کوتوله های سیاه تبدیل می شوند که کم نور تر از آنند که توسط تلسکوپها دیده شوند. خورشید ما حدود 5 میلیارد سال بعد از رشته اصلی خارج شده و چنین سرنوشتی را می پیماید.

یک ستاره پرجرم سریعتر شکل گرفته و به پایان عمر خود می رسد. این ستاره ها در طی 10 تا 100 هزار سال از یک پیش ستاره تشکیل می شوند. تا زمانی که در رشته اصلی هستند داغ و آبی رنگند و حدود 1000 تا یک میلیون بار درخشانتر از خورشید و شاید ده برابر بزرگتر هستند. وقتی رشته اصلی را ترک می کنند به یک ابرغول قرمز درخشان تبدیل می شوند و نهایتا آنقدر داغند که می توانند کربن را به عناصر سنگین تر تبدیل کنند. پس از حدود 10 هزار سال همجوشی کربن، آنچه باقی می ماند یک هسته آهنی با قطر حدود 6000 کیلومتر است و از آنجایی که همجوشی اتمهای آهن بجای تولید انرژی، آن را مصرف می کند ستاره دیگر تشعشع هسته ای تولید نمی کند که بتواند در برابر نیروی بی امان گرانشی آن مقاومت کند.

اگر جرم باقیمانده چنین هسته آهنی بیش از 1.4 برابر جرم خورشید باشد، دافعه بین الکترونها نمی تواند در برابر کشش گرانشی مقاومت کند و گرمای عظیم تولید شده در اثر رمبش گرانشی لایه های گاز بیرونی را چنان به بیرون پرتاب می کند که یک ابر نوستاره شکل می گیرد. گرانش باعث فروریختن هسته می شود تا جایی که دمای هسته به حدود 10 میلیارد درجه سلسیوس می رسد. در این دما هسته های آهن به ذرات نوترون و نوترینو می شکند. در کسری از ثانیه هسته به قطر حدود 10 کیلومتر چروک می خورد و شوک انفجاری ناشی از این رمبش سریع و دهشتناک باعث ضروع همجوشی در لایه های گاز به بیرون پرتاب شده می شود. در این وضعیت ستاره به شکل یک ابرنو ستاره از نوع دوم منفجر می شود. اگر هسته باقیمانده کمتر از سه برابر خورشید جرم داشته باشد به یک ستاره نوترونی تبدیل می شود که تماما از نوترون ساخته شده است. ستاره های نوترونی دوار پالس های رادیویی قدرتمندی ارسال کرده و به پولسار (pulsar) موسومند. اگر هسته مزبور جرمی بیش از سه برابر خورشید داشته باشد هیچ چیزی در برابر رمبش نامحدود آن نمی تواند مقاومت کند و تحت اثر گرانش بی امان، به چیزی به نام سیاهچاله تبدیل می شود...

(ادامه دارد)

منبع: space.com

بزرگترین ستارگان شناخته شده عالم

یکی از جالب ترین نمودارها در زمینه دسته بندی و شناخت ستارگان، نمودار هرتزپرانگ روسل است. اگر ستارگان شناخته شده عالم را در نموداری که محور افقی آن دمای سطحی و محور عمودی آن میزان تابندگی (برحسب واحد خورشیدی) است قرار دهیم، ستارگان عادی و پایدار بر روی خطی کمابیش افقی واقع می شوند که نام رشته اصلی (main sequence) را بخود گرفته است. در پایین ترین نقاط این خط ستارگان سرد با دمای سطحی حدود 2000 کلوین قرار دارند و در ادامه به ستاره آشنای منظومه شمسی یعنی خورشید می رسیم که دمای سطحی آن حدود 6000 درجه سانتی گراد است. سردترین ستاره ها قرمز رنگند و با افزایش دمای سطحی رنگ آنها بتدریج به زرد، سفید و سپس آبی می گراید. ستارگان آبی بسیار داغند و دمای سطحی آنها می تواند به بالاتر از 30 هزار کلوین برسد. در ستارگان رشته اصلی نیروی گرانشی که تمایل به متراکم کردن ستاره دارد با رانش ناشی از انبساط حرارتی هسته داغ ستاره در تعادل است و ستاره پایداری خود را به مدتی طولانی از چند میلیون تا چند میلیارد سال حفظ می کند.

 بیرون رشته اصلی ستارگان غیرعادی قرار دارند که ترکیب جرم و اندازه آنها بسیار شگفت آور است. در پایین رشته اصلی کوتوله های سفید با چگالی بالا و حجم کم قرار دارند و بالاتر از خط نیز به غول ها و ابرغولهای قرمز بر می خوریم که چگالی کم لیکن ابعادی بسیار غول آسا دارند.

هر ستاره ای در ابتدای پیدایش خود (که از ابرهای چرخان گاز و غبار نتیجه می شود) مدتی را در رشته اصلی می گذراند که کاملا به جرم آن بستگی دارد. هرچه جرم ستاره ای بیشتر باشد ذخیره سوخت هیدروژن هسته خود را سریعتر مصرف کرده و درون آن سرد می شود. بدین ترتیب نیروی گرانشی توده های جرم ستاره بر رانش ناشی از انبساط حرارتی غالب شده و ستاره چروک می خورد. ممکن است ستاره به یک کوتوله سفید چگال و متراکم تبدیل شود و یا در اثر انفجاری عظیم یک نواختر یا ابرنواختر از خود به نمایش گذارد، یعنی ستاره ای که در مدت چند روز چنان درخشان می شود که حتی در نور روز نیزقابل دیدن است.

اما غولها و ابرغولهای قرمز در نتیجه چروک خوردن هسته یک ستاره پرجرم و انبساط لایه های بیرونی ستاره در نتیجه گرم تر شدن هسته تشکیل می شوند. در این صورت ستاره از رشته اصلی خارج شده وبه اجرام ناپایدار آسمان تبدیل می شود. سرنوشت یک ستاره کاملا به جرم آن بستگی دارد.

عنوان بزرگترین ستاره شناخته شده عالم تا چند سال پیش به VY Canis Majoris تعلق داشت که در فاصله 5000 سال نوری از زمین در صورت فلکی کانیس ماژوریس یا سگ بزرگ قرار دارد. قطر این ابرغول قرمز حدود 1540 برابر خورشید است لیکن جرم آن شاید حدود 40 برابر خورشید باشد. بدین ترتیب چگالی متوسط این ستاره هزاران بار کمتر از آب معمولی است.

در حال حاضر مقام اول بزرگترین ستاره به UY Scuti تعلق دارد که در فاصله 9500 سال نوری و صورت فلکی Scutum واقع شده است. این ستاره در اثر تغییر شرایط دمایی درونی مدام منبسط و منقبض می شود بطوری که شعاع متوسط آن 1708 برابر خورشید (یا 2.4 میلیارد کیلومتر) است. اگر این ستاره بجای خورشید بود سیارات داخلی را بلعیده و تا مدار مشتری را دربرمی گرفت. خورشید در  برابر این ستاره تنها نقطه کوچکی به نظر می رسد. این ستاره در مرکز شکل زیر دیده می شود.

هرچه ستاره ای بزرگتر باشد سطح آن سردتر است بطوری که UY Scuti دمای سطحی حدود 3500 کلوین دارد.

اما شناخته شده ترین ابرغول عالم ستاره ابط الجوزا یا Betelgeuse است. دلیل این معروفیت فاصله نسبتا کم این ستاره از زمین است: ابطالجوزا تقریبا 430 سال نوری از زمین فاصله دارد و یکی از اولین ابرغولهای آشکارسازی شده است. این ستاره نهمین ستاره درخشان آسمان شب است که در صورت فلکی اوریون قرار دارد. قطر این ستاره حدود 1180برابر قطر خورشید یا 821 میلیون کیلومتر است. ابط الجوزا زمانی در هزاران سال آینده منفجر شده و به یک ابرنواختر (سوپرنووا) تبدیل خواهد شد.

تالیف: اصغر ناصری

منابع

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Hertzsprung-Russel_StarData.png

http://earthsky.org/brightest-stars/betelgeuse-will-explode-someday

http://phys.org/news/2015-12-biggest-star-universe.html