Η Γέννηση, η Ζωή και ο Θάνατος των αστέρων

Οι πρωτοαστέρες!

 Αστέρια. Φωτίζουν τις νύχτες μας, ασάλευτα καθώς τα βλέπουμε στο νυχτερινό στερέωμα. Ονειρευόμαστε να τα κατακτήσουμε και να μάθουμε τα μυστικά τους. Και μερικές φορές αναρωτιόμαστε… Άραγε από τι είναι φτιαγμένα; Και ποιά είναι η συνταγή για να μαγειρέψει η φύση ένα αστεράκι;

Σκόνη και αέριο. Από αυτά αποτελείται ο μεσοαστρικός χώρος και αυτά είναι τα αρχέγονα υλικά από τα οποία σχηματίζονται τελικά οι αστέρες. Όταν μιλάμε για αέριο εννοούμε κυρίως υδρογόνο (74%), ήλιο (24%) και σε πολύ μικρότερο ποσοστό άλλα βαρύτερα στοιχεία (2%). Η σκόνη πιθανολογείται ότι αποτελείται από σωματίδια διάφορων στοιχείων, όπως γραφίτης, σίδηρος, πυρίτιο, παγοκρύσταλλοι κα.

Τυχαίες μεταβολές στην πυκνότητα του αερίου δημιουργούν συμπυκνώσεις ύλης, οι οποίες έχουν πολύ μικρή θερμοκρασία, όχι μεγαλύτερη από –260 βαθμούς Κελσίου. Οι συμπυκνώσεις αυτές αναπτύσσονται σιγά σιγά και τελικά αρχίζουν να συμπιέζονται κάτω από την ίδια τους τη βαρύτητα. Βρίσκομαστε στη φάση που έχουμε σφαιρίδια (globules), δηλαδή μικρά, πυκνά, σφαιρικά και σκοτεινά νέφη που είναι τα πρώτα στάδια των πρωτοαστέρων.

Όπου υπάρχει συσσωρευμένη μάζα, η βαρύτητα είναι ισχυρότερη κι έτσι το αέριο που την περιβάλλει καταρρέει προς την περιοχή αυτή. Το άμεσο αποτέλεσμα είναι ότι η πυκνότητα αυτής της περιοχής αυξάνεται κι άλλο. Χάρη στην βαρύτητα λοιπόν έχουμε έναν μηχανισμό συμπίεσης. Στην συνέχεια αυτές οι συμπυκνώσεις αποκτούν αυτοτέλεια και δημιουργούν τους πρωτοαστέρες. Ένας πυκνός, νεογέννητος πρωτοαστέρας μπορεί να έχει διάμετρο εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη διάμετρο ενός κανονικού άστρου.

Είναι πάρα πολύ δύσκολο να παρατηρήσουμε έναν πρωτοαστέρα γιατί ένα πέπλο αερίου και σκόνης μας εμποδίζει, απορροφώντας σχεδόν όλο το φως που ακτινοβολεί. Το μόνο που μας δηλώνει την ύπαρξή του είναι μια πολύ ασθενής υπέρυθρη ακτινοβολία.

 Στην συνέχεια, μόλις σχηματιστεί ο πρωτοαστέρας, αρχίζει μια διαμάχη η οποία θα συνεχίζεται σε όλη του τη ζωή. Η βαρύτητα, η οποία τον βοήθησε να σχηματιστεί, στρέφεται τώρα εναντίον του και προσπαθεί να τον συντρίψει. Κάτω λοιπόν από την επίδραση της ίδιας του της βαρύτητας συστέλλεται, καταρρέει δηλαδή προς το κέντρο του, ενώ ταυτόχρονα αρχίζει και εκπέμπει θερμική ενέργεια. Αυτή η κατάρρευση της ύλης συμβαίνει γιατί δεν υπάρχει αρκετά μεγάλη πίεση στο εσωτερικό του για να εξισορροπήσει το βάρος των ανώτερων στρωμάτων του. Η συστολή κρατάει χιλιάδες χρόνια και παράλληλα αυξάνεται διαρκώς η θερμοκρασία και η πίεσή του. Σε κάποια φάση η πίεση του εσωτερικού του αυξάνεται αρκετά ώστε να επιβραδύνει σημαντικά την κατάρρευση του πρωτοαστέρα και η συστολή του συνεχίζεται αργά.

Η αργή συστολή συνεχίζεται μέχρι τη στιγμή που ο πρωτοαστέρας μας έχει έναν συμπαγή, πυκνό πυρήνα γεμάτο υδρογόνο, με θερμοκρασία λίγο μεγαλύτερη από ένα εκατομμύριο βαθμούς Κελσίου. Είναι πλέον έτοιμος να αφήσει πίσω αυτό το στάδιο της ζωής του και να μπει στην καινούρια, ενήλικη φάση του, πράγμα που κάνει με τρόπο εκρηκτικό, αφού η έναρξη της ενήλικης ζωής του σηματοδοτείται με την έναρξη θερμοπυρηνικών αντιδράσεων στον πυρήνα του…

Η ενηλικίωση…

Ενηλικίωση… για τον κάθε άνθρωπο σημαίνει και διαφορετικό πράγμα. Μεγαλύτερες ευθύνες ή μεγαλύτερη ελευθερία…ανεξαρτησία ή ακόμα μεγαλύτερη δέσμευση… Για όλους τους αστέρες όμως η ενηλικίωση σημαίνει ένα και μόνο πράγμα: την έναρξη της πραγματικής τους ζωής! Και αυτή η έναρξη της ζωής γίνεται με έναν τρόπο αν μη τι άλλο, εντυπωσιακό! Στον πυρήνα αρχίζουν να γίνονται θερμοπυρηνικές αντιδράσεις!

Είχαμε αφήσει πριν τον αστέρα μας γεμάτο υδρογόνο και με θερμοκρασία που πλησιάζει στον πυρήνα το ένα εκατομμύριο βαθμούς. Μόλις φτάσει επιτέλους ένα εκατομμύριο βαθμούς, το υδρογόνο πιάνει φωτιά! Αυτήν την στιγμή, αμέσως μόλις το υδρογόνο αρχίσει να καίγεται, ο αστέρας μας ενηλικιώνεται και μπαίνει στην ¨Κύρια Ακολουθία¨.

  Κύρια Ακολουθία ονομάζεται ένας κλάδος στο σχεδιάγραμμα H-R (εικόνα) στο οποίο απεικονίζονται όλα τα αστέρια σε συγκεκριμένες θέσεις, ανάλογα με το πόσο λαμπερά είναι ή τι χρώμα έχουν. Σε όλη τη διάρκεια της ενήλικης ζωής τους τα αστέρια παραμένουν στην Κύρια Ακολουθία, στην ίδια θέση με αυτήν που είχαν όταν πρωτοξεκίνησαν να καίνε το υδρογόνο στον πυρήνα τους. Τί χρώμα έχουν όμως τα αστέρια σε αυτήν την φάση της ζωής τους; Αυτό εξαρτάται αποκλειστικά και μόνο από τη θερμοκρασία τους. Είπαμε ότι για να μπορέσει ένα αστέρι να ενηλικιωθεί, πρέπει η θερμοκρασία στον πυρήνα του να είναι ένα εκατομμύριο βαθμοί. Αυτό όμως δεν ισχύει για τα εξωτερικά στρώματα του αστεριού, τα οποία είναι πολύ πιο ψυχρά. Και φυσικά η συνολική θερμοκρασία του αστεριού δεν είναι ένα εκατομμύριο βαθμοί, αλλά κυμαίνεται από μερικές χιλιάδες βαθμούς μέχρι μερικές δεκάδες χιλιάδες βαθμούς. Ένα εύρος θερμοκρασιών το οποίο μπορούμε με ασφάλεια να πούμε ότι καλύπτει σχεδόν όλα τα άστρα είναι από 3000 βαθμούς μέχρι 25000. Όσο πιο θερμό είναι τώρα ένα αστέρι, τόσο πιο μπλε είναι, ενώ όσο πιο ψυχρό, τόσο πιο κόκκινο. Ενδιάμεσα υπάρχουν κι άλλα χρώματα, όπως λευκό, κίτρινο και πορτοκαλί.

Καθώς όμως μιλάμε για την ενήλικη φάση της ζωής των αστέρων, λογικό είναι να αναρρωτηθούμε… είπαμε πριν, ότι όλη η ζωή ενός αστέρα είναι μια συνεχής πάλη με τη βαρύτητα που θέλει να τον συνθλίψει. Σε αυτήν την φάση πώς τα κατφέρνει και επιβιώνει για εκατομμύρια χρόνια καίγοντας αμέριμνο το υδρογόνο του;

Η απάντηση βρίσκεται ακριβώς σε αυτήν την αδιάκοπη καύση που γίνεται στον πυρήνα του. Καθώς η βαρύτητα σπρώχνει το αστέρι προς τα μέσα, ασκώντας του δύναμη στα εξωτερικά του τοιχώματα, βρίσκει αντίσταση. Αυτή η αντίσταση δημιουργείται από την πίεση της ακτινοβολίας που παράγεται στον πυρήνα του, εξαιτίας αυτών των αντιδράσεων, της καύσης δηλαδή του υδρογόνου. Το προϊόν αυτής της καύσης είναι το αμέσως βαρύτερο στοιχείο μετά το υδρογόνο: το ήλιο. Καθώς προχωράει λοιπόν στην ζωή του το αστέρι, μετατρέπει με σταθερούς ρυθμούς το υδρογόνο του πυρήνα του σε ήλιο, χάρη στις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που γίνονται εκεί.

Όλη αυτή η διαδικασία της καύσης του υδρογόνου μπορεί να κρατήσει από εκατομμύρια μέχρι δισεκατομμύρια χρόνια, μέχρι να καεί όλο και ο πυρήνας πλέον του αστεριού να έχει γεμίσει ήλιο. Και τότε, η καύση σταματά, το αστέρι φέυγει από την Κύρια Ακολουθία και αρχίζουν και πάλι οι περιπέτειες…

Όλοι οι πρωτοαστέρες καταφέρνουν να περάσουν στην ενήλικη φάση της ζωής τους?

Όχι… Τα αστέρια εξελίσσονται ανάλογα με τη μάζα τους. Η μάζα είναι αυτή που καθορίζει αν τελικά ένας πρωτοαστέρας θα καταφέρει να περάσει στο ενήλικο στάδιο της ζωής του ή όχι. Ο πλανήτης Δίας για παράδειγμα, μοιάζει να είναι ένα αστέρι που εξαιτίας της μικρής του μάζας ποτέ δεν κατάφερε να ενηλικιωθεί, γιατί ποτέ του δεν έφτασε σε θερμοκρασία αρκετά υψηλή ώστε να αρχίσει να καίγεται το υδρογόνο στον πυρήνα του.

+ Το ξέρατε ότι…

 Ο Ήλιος μας είναι ένα αστέρι στην ενήλικη φάση της ζωής του. Καίει υδρογόνο εδώ και 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια και υπολογίζεται ότι θα συνεχίσει για άλλα τόσα. Είναι δηλαδή μεσήλικας! Η θερμοκρασία του είναι περίπου 5700 βαθμοί και γι αυτό το λόγ έχει αυτό το πορτοκαλοκίτρινο χρώμα!

ΠΡΟΣΟΧΗ! Μπορεί ο Ήλιος να είναι ένα αστέρι, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι μπορούμε να τον παρατηρήσουμε με το τηλεσκόπιο μας! Είναι πολύ επικίνδυνο και μπορεί να τυφλωθούμε από την τεράστια λάμψη του.

Στον κλάδο των γιγάντων!

 Όπως λέγαμε πριν, η κατάσταση του αστεριού μας ήταν η εξής: έχει κάψει χάρη στις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που γίνονταν στον πυρήνα του όλο το υδρογόνο και ο πυρήνας του τώρα πια είναι γεμάτος ήλιο. Ο αστέρας μας μόλις έφυγε από την Κύρια Ακολουθία και ψάχνει να βρει τη μοίρα του στον δρόμο των γιγάντων. Αυτή η μοίρα θα καθοριστεί βασικά από τη μάζα του αστέρα.

Η καύση τώρα πλέον του υδρογόνου θα συνεχιστεί στον αμέσως επόμενο φλοιό που περιβάλλει τον πυρήνα και αυτή είναι η πηγή ενέργειας που θα στείλει το αστέρι μας να γίνει γίγαντας. Το αστέρι μας μεγαλώνει και κοκκινίζει και χαρακτηρίζεται πλέον ως υπογίγαντας. Παράλληλα, ο πυρήνας ηλίου είναι ακόμα αδρανής και η αέναη μάχη του αστεριού με τη βαρύτητα αρχίζει για άλλη μια φορά.

Επειδή δεν γίνονται αντιδράσεις στον πυρήνα του άστρου, η πίεση του μειώνεται και η δύναμη της βαρύτητας υπερνικάει, προκαλώντας κατάρρευση των εξωτερικών στρωμάτων του αστεριού. Αυτή όμως η βαρυτική κατάρρευση προκαλεί την αύξηση της θερμοκρασίας. Αν η θερμοκρασία ανέβει πάνω από 100 εκατομμύρια βαθμούς, τότε αρχίζει να καίγεται το ήλιο στον πυρήνα, έχοντας πετύχει την λεγόμενη έκλαμψη ηλίου! Έτσι τώρα έχουμε καύση ηλίου στον πυρήνα και καύση υδρογόνου στον αμέσως παραπάνω φλοιό.

Όμως η καύση του ηλίου είναι εκρηκτική, βίαιη και μη ελεγχόμενη. Ο αστέρας, ενώ έκανε εκατομμύρια χρόνια να κάψει το υδρογόνο του πυρήνα του, καίει με μανία το ήλιο μέσα σε πολύ λιγότερο χρονικό διάστημα. Μπορούμε να πούμε ότι καταστρέφει πολύ γρήγορα το έργο που έφτιαχνε κατά τη διάρκεια του μεγαλύτερου κομματιού της ζωής του.

Όσο ο πυρήνας καίει ήλιο γίνεται η εξής διαδικασία: ο πυρήνας μικραίνει, αλλά για να διατηρηθεί η ισορροπία στο εσωτερικό του αστέρα, η ακτίνα του συνολικά μεγαλώνει και η λαμπρότητά του αυξάνεται, φτιάχνοντας έναν (φοβερό και τρομερό!) ερυθρό γίγαντα. Δηλαδή ο πυρήνας του άστρου μικραίνει, αλλά συνολικά το άστρο φουσκώνει! Είναι σαν να έχω ένα ροδάκινο και το κουκούτσι του να μικραίνει, αλλά τα εξωτερικά στρώματα του ροδάκινου να φουσκώσουν! Πλέον έχω πιο πολλή φρουτένια ψίχα και ένα μικρό κουκουτσάκι.

Καθώς ο αστέρας καίει το ήλιο του πυρήνα του, παράγει άνθρακα. Όταν τελειώσει όλο το ήλιο, του έχει πλέον απομείνει ένας αδρανής πυρήνας άνθρακα, ενώ στο αμέσως παραπάνω στρώμα καίγεται το ήλιο και στο ακόμα πιο πάνω καίγεται το υδρογόνο.

Και για άλλη μια φορά, τα εξωτερικά στρώματα του αστέρα καταρρέουν βαρυτικά και πάλι ο πυρήνας συστέλλεται, ενώ το κέλυφος διαστέλλεται και ο αστέρας προχωράει και γίνεται ένας ερυθρός υπεργίγαντας! Όμως το άστρο λόγω των τεράστιων ρυθμών κατανάλωσης ενέργειας δεν έχει πια πολύ χρόνο ζωής…

Πλέον έχουμε φτάσει σε ένα κρίσιμο σημείο για την ζωή του αστέρα: θα καταφέρει να πάρει φωτιά ο αδρανής πυρήνας άνθρακα; Πώς θα προχωρήσει ο αστέρας; Θα εκραγεί; Ή θα σβήσει; Το στοιχείο κλειδί φυσικά στην εξέλιξή του είναι η μάζα όπως θα δούμε παρακάτω

Σημείωση:

 Υπάρχουν αστέρια που η μάζα τους είναι μικρότερη από τη μισή μάζα του Ήλιου μας. Αυτά τα αστέρια ποτέ δεν θα μπορέσουν να φτάσουν αρκετά υψηλή θερμοκρασία ώστε να αρχίσει να καίγεται το ήλιο του πυρήνα τους. Αυτοί οι αστέρες θα συνεχίσουν να αυξάνουν για λίγο την θερμοκρασία τους μέχρι κάποιο όριο, αρχίζουν πλέον να ψύχονται και καταλήγουν ερυθροί νάνοι, οι οποίοι θεωρητικά θα συνεχίσουν να ψύχονται και θα μετατραπούν σε λευκούς και στην συνέχεια σε καστανούς νάνους.

Ο Ήλιος μας έχει υπολογιστεί ότι σε πέντε δισεκατομμύρια χρόνια θα γίνει γίγαντας, θα φουσκώσει και θα καταπιεί τους τρεις πρώτους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος, δηλαδή τον Ερμή, την Αφροδίτη και τη Γη.

Το τέλος…

Είχαμε αφήσει το αστέρι μας να αποτελείται από έναν αδρανή πυρήνα άνθρακα, ενώ καίει παράλληλα στο εξωτερικά του τοιχώματα ήλιο και υδρογόνο. Έχει πλέον μετατραπεί σε ερυθρό υπεργίγαντα και καταναλώνει αλόγιστα και ασταμάτητα τεράστια ποσά ενέργειας. Και βρισκόμαστε τώρα στο κρίσιμο ερώτημα: Πώς θα προχωρήσει ο αστέρας; Θα εκραγεί; Ή θα σβήσει; Για άλλη μια φορά η μάζα του θα δείξει τον δρόμο που θα ακολουθήσει το αστέρι.

Το σιωπηλό σβήσιμο…

 Ας φανταστούμε ένα αστέρι σαν τον ήλιο μας. Σ’ αυτήν την περίπτωση το πιθανότερο είναι τα εξωτερικά τοιχώματα του αστεριού είναι σχετικά ψυχρά (ψυχρά όταν λέμε εννοούμε σε σχέση με τον πυρήνα που η θερμοκρασία του αγγίζει τα εκατό εκατομμύρια βαθμούς) και διαστέλλονται, κάτι που τα κάνει να κρυώνουν ακόμα πιο πολύ. Σαν αποτέλεσμα απομακρύνονται πολύ από τον πυρήνα και τελικά αποβάλλονται από αυτόν, σχηματίζοντας ένα νεφέλωμα.

Ο ζεστός πυρήνας επομένως μένει μόνος του αντιμέτωπος με την φοβερή βαρύτητα που συνεχώς τον αναγκάζει να συστέλλεται. Εφόσον όμως η πίεση που δημιουργείται από την συνεχόμενη συστολή δεν καταφέρνει να ανεβάσει την θερμοκρασία πάνω από το ένα δισεκατομμύριο βαθμούς, τότε τίποτα δεν μπορεί να σταματήσει την βαρύτητα… Κι έτσι ο αστέρας συμπιέζεται ως εκεί που δεν πάει άλλο. Κάποια στιγμή η εσωτερική πίεση τελικά σταματάει την συστολή, αλλά ο αστέρας έχει μετατραπεί σε ένα λευκό νάνο.

Οι λευκοί νάνοι

 Σ’ αυτά τα άστρα που ονομάζονται λευκοί νάνοι οι πυρηνικές αντιδράσεις έχουν σταματήσει, αυτά όμως ακτινοβολούν εξαιτίας της υψηλής τους θερμοκρασίας. Η λαμπρότητα όμως και η θερμοκρασία τους συνεχώς μειώνονται, καθώς το αστέρι ψύχεται και έρχεται σιγά – σιγά σε θερμική ισορροπία με το περιβάλλον του. Ο χρόνος που παίρνει ένας λευκός νάνος για να κρυώσει είναι μερικές δεκάδες δισεκατομμύρια χρόνια – χρόνος που ξεπερνάει την ηλικία του σύμπαντος!

Ο αστέρας δηλαδή θα μπορούσαμε να πούμε ότι όσο ήταν ερυθρός γίγαντας σπατάλησε με τεράστιους ρυθμούς όλο του το ενεργειακό απόθεμα και τώρα πια, σε αυτήν την φάση έχει μετατραπεί σε Σκρουτζ και ξοδεύει ενέργεια με το σταγονόμετρο. Εδώ όμως πρέπει να τονίσουμε ότι ο αστέρας ως γίγαντας εξελίσσεται ακόμα και εξακολουθεί να παράγει ενέργεια, ενώ ο λευκός νάνος δεν παράγει ενέργεια και φυσικά η αστρική εξέλιξή του έχει σταματήσει.

Η πυκνότητα ενός λευκού νάνου είναι τεράστια. Μπορεί να έχει διαστάσεις σαν αυτές της Γης, αλλά σε ένα τέτοιο όγκο να συγκεντρώνει μάζα σαν τη μισή μάζα του ήλιου ή και περισσότερη, καθώς η πορεία που περιγράψαμε μέχρι εδώ είναι η μοίρα που περιμένει υπό κανονικές συνθήκες αστέρια που έχουν μέχρι και 8 φορές τη μάζα του ήλιου. Αν υποθέσουμε ότι συγκεντρώνει σε διαστάσεις Γης τη μισή μάζα του ήλιου, τότε η πυκνότητά του αγγίζει τα 1 000 000 γραμμάρια ανά τετραγωνικό εκατοστό! ! !

Οι μαύροι νάνοι

Όταν ο λευκός νάνος χάσει όλη του την θερμική ενέργεια και σταματήσει να ακτινοβολεί, τότε θεωρητικά θα μετατραπεί σε μαύρο νάνο, δηλαδή ένα ουράνιο αντικείμενο που έχει χάσει την λάμψη του. Αφού βέβαια δεν ακτινοβολεί, είναι αδύνατο να το δούμε με τηλεσκόπιο. Καταλαβαίνουμε όμως ότι από την στιγμή που ένας λευκός νάνος κάνει περισσότερο χρόνο για να σβήσει από την ηλικία του σύμπαντος, τότε ακόμα δεν έχει παραχθεί κανένας λευκός νάνος μέχρι σήμερα.

Σημείωση: Δεν πρέπει να συγχέουμε τους λευκούς και τους μαύρους νάνους με τους καστανούς. Οι καστανοί νάνοι δεν είναι ούτε αστέρες ούτε πλανήτες. Είναι ουράνια σώματα που ξεκίνησαν να γίνουν αστέρες, πέρασαν από την φάση των πρωτοαστέρων, αλλά τελικά δεν κατάφεραν να … πάρουν φωτιά, δηλαδή δεν κατάφεραν να ξεκινήσουν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στον πυρήνα τους, ή ξεκίνησαν για λίγο και σταμάτησαν επειδή δεν κατάφεραν να φτάσουν σε μια σταθερή κατάσταση. Ακτινοβολούν λίγο εξαιτίας της θερμοκρασίας τους.

Συγγραφέας: Άννα Χριστοδούλου

Πηγή

Η  κλίμακα απόστασης  Γη – Σελήνη

Το Hubble μας έδωσε μια λαμπρή γεύση της καρδιάς του Γαλαξία. Το μεγαλύτερο μέρος της οπτικής μας προς το γαλαξία είναι θολό από τη σκόνη, αλλά το Hubble μπόρεσε να δει μέσα από μια στενή περιοχή χωρίς σκόνη, στο αστρικό νέφος του Τοξότη, και μας παρείχε αυτή την εικόνα μερικών από τους παλαιότερους κατοίκους του γαλαξία μας