Στοιχεία Αστρονομίας και Διαστημικής - Βιβλίο Μαθητή
ΤΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ H-R ΑΣΤΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Επιστροφή στην αρχική σελίδα του μαθήματος
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ

 

 

 

 

5.4 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΑΣΤΕΡΩΝ

Η θεωρία για τη δημιουργία και την εξέλιξη των αστέρων κατέχει σημαντικότατη θέση ανάμεσα στα θαυμαστά επιτεύγματα της Αστρονομίας του 20ού αιώνα. Η γνώση μας για τις διάφορες φάσεις της

ζωής ενός αστέρα από τη γένεσή του έως το τέλος του στηρίζεται σε θεωρητικά μοντέλα, οι προβλέψεις των οποίων έχουν γενικά επιβεβαιωθεί από τα παρατηρησιακά δεδομένα.

Η ΓΕΝΕΣΗ ΤΩΝ ΑΣΤΕΡΩΝ

Σύμφωνα με το επικρατέστερο μοντέλο, οι αστέρες δημιουργούνται από τη βαρυτική κατάρρευση μεσοαστρικών νεφών που αποτελούνται κυρίως από υδρογόνο. Το νέφος αρχίζει να συστέλλεται με αποτέλεσμα να αυξάνεται η πυκνότητά του. Με την αύξηση της

ΟΙ ΑΣΤΕΡΕΣ
Μεσοαστρική ύλη: Η ύλη που υπάρχει στο διάστημα μεταξύ των αστέρων. Αποτελείται κυρίως από υδρογόνο και σε μικρότερες αναλογίες από άλλα στοιχεία σε κατάσταση αερίων ή σκόνης.

 

Βαρυτική κατάρρευση: Η συστολή ενός σώματος πολύ μεγάλης μάζας που οφείλεται στις έλξεις μεταξύ των σωματιδίων που το απαρτίζουν. Η κίνηση της ύλης κατά τη βαρυτική κατάρρευση γίνεται προς το κέντρο της μάζας του σώματος που καταρρέει. Στο φαινόμενο αυτό οφείλεται κατά κύριο λόγο ο σχηματισμός των γαλαξιών, των αστέρων και των πλανητικών συστημάτων. Ένα ωστικό κύμα που δημιουργείται από την έκρηξη ενός αστέρα μπορεί να πυροδοτήσει τη βαρυτική κατάρρευση ενός νέφους μεσοαστρικής ύλης. Καθώς το κύμα διαδίδεται συμπιέζει το νέφος και αυξάνει την πυκνότητα του.

 

πυκνότητας, το νέφος καταρρέει λόγω της βαρύτητας προς το κέντρο της μάζας του και ταυτόχρονα αρχίζει να περιστρέφεται.

Η ταυτόχρονη συστολή και περιστροφή σε πολλές περιπτώσεις προκαλούν τη διάσπαση του νέφους σε κομμάτια. Καθένα από αυτά τα κομμάτια -οι πρωτοαστέρες, όπως λέγονται- συνεχίζουν να καταρρέουν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο. Έτσι κάθε πρωτοαστέρας συστέλλεται διαρκώς. Η μάζα του συμπιέζεται σε όλο και μικρότερο χώρο, με αποτέλεσμα τη γρήγορη

 

Η διαδικασία σχηματισμού ενός πρωτοαστέρα.

Σχήμα 5.13: Η διαδικασία σχηματισμού ενός πρωτοαστέρα.

Οι δύο φωτογραφίες δείχνουν το νεφέλωμα του Ωρίωνα που απέχει 1.500 ε.φ. από τη Γη και είναι το πλησιέστερο νεφέλωμα στο οποίο παρατηρείται γένεση νέων αστέρων. Η αριστερή φωτογραφία αντιστοιχεί στα οπτικά μήκη κύματος. Η δεξιά φωτογραφία δίνει την επιλεγμένη περιοχή στα υπέρυθρα μήκη κύματος. Φαίνονται αρκετοί ερυθροί αστέρες.

Σχήμα 5.14: Οι δύο φωτογραφίες δείχνουν το νεφέλωμα του Ωρίωνα που απέχει 1.500 ε.φ. από τη Γη και είναι το πλησιέστερο νεφέλωμα στο οποίο παρατηρείται γένεση νέων αστέρων. Η αριστερή φωτογραφία αντιστοιχεί στα οπτικά μήκη κύματος. Η δεξιά φωτογραφία δίνει την επιλεγμένη περιοχή στα υπέρυθρα μήκη κύματος. Φαίνονται αρκετοί ερυθροί αστέρες.

αύξηση της πίεσης και της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του. Αν η θερμοκρασία φτάσει τους 106 Κ, τότε αρχίζουν να πραγματοποιούνται στον πυρήνα του πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης υδρογόνου σε ήλιο. Η ενέργεια που ελευθερώνεται προκαλεί δραματική αύξηση της εσωτερικής πίεσης του πρωτοαστέρα, που αντισταθμίζει τη βαρυτική του κατάρρευση.

Η συστολή του πρωτοαστέρα σταματάει και δημιουργείται κατάσταση δυναμικής ισορροπίας1. Τότε λέμε ότι γεννήθηκε ένας αστέρας.

Χαρακτηριστική περιοχή γένεσης αστέρων είναι το Νεφέλωμα του Ωρίωνα, που βρίσκεται 1.500 έτη φωτός μακριά από τη Γη, στον ομώνυμο αστερισμό (εικ. 5.14).

ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΑΣΤΕΡΩΝ ΚΑΙ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ ΜΑΖΑΣ

Μια θεμελιώδης φυσική παράμετρος των αστέρων είναι και η μάζα τους που εκφράζεται με μέτρο σύγκρισης την ηλιακή μάζα. Έτσι υπάρχουν αστέρες 5 ηλιακών μαζών ή αστέρες 0,3 ηλιακών μαζών κ.ο.κ. Οι μεγαλύτεροι αστέρες που έχουν παρατηρηθεί φτάνουν τις 100 ηλιακές μάζες, ενώ οι μικρότεροι έχουν μάζες ίσες με το 1/10 της ηλιακής.

Εξέλιξη ενός αστέρα ονομάζουμε τις μεταβολές των φυσικών του χαρακτηριστικών σε συνάρτηση με το

 

 

 

 

 

1Δυναμική ισορροπία: Κατάσταση ισορροπίας ενός συστήματος που επιτυγχάνεται από την αμοιβαία εξουδετέρωση διαδικασιών που εξελίσσομαι προς αντίθετες κατευθύνσεις. Για παράδειγμα, η ισορροπία ενός αστέρα συμβαίνει, όταν η κατάρρευση της ύλης του λόγω βαρύτητας αντισταθμιστεί από την ενέργεια που παράγουν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ
Η εξέλιξη αστέρων διαφορετικής μάζας.

Σχήμα 5.15: Η εξέλιξη αστέρων διαφορετικής μάζας

χρόνο. Αιτία των μεταβολών είναι οι αλλαγές του είδους των πυρηνικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στο εσωτερικό του.

Η αρχική μάζα ενός αστέρα είναι καθοριστική για την εξέλιξη του. Οι αστέρες με μεγάλη μάζα ακολουθούν κύκλο ζωής εντελώς διαφορετικό από τους

 

αστέρες με μικρή μάζα. Οι πρώτοι έχουν κύκλο ζωής που διαρκεί λίγες χιλιάδες χρόνια, με πολύ βίαιο τέλος, ενώ οι αστέρες μικρής μάζας παραμένουν σχεδόν «αμετάβλητοι» για εκατοντάδες εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια χρόνια.

ΟΙ ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΤΩΝ ΑΣΤΕΡΩΝ

Οι δυνάμεις που αντιμάχονται στη διάρκεια της ζωής ενός αστέρα είναι δύο:

α) Η δύναμη της βαρύτητας, που έλκει προς το κέντρο του αστέρα την ύλη από την οποία αποτελείται.

β) Η δύναμη που αναπτύσσεται από τις πυρηνικές αντιδράσεις στον πυρήνα του, η οποία προέρχεται από την αύξηση της εσωτερικής πίεσης του αστέρα, λόγω της ενέργειας που ελευθερώνεται.

Αν υπήρχε μόνο η βαρύτητα, τότε ο αστέρας θα κατέρρεε μέσα σε λίγα λεπτά.

Αν υπήρχε μόνο η δύναμη από την εσωτερική του πίεση, αυτή θα προκαλούσε άμεση έκρηξη. Οι δύο αυτές δυνάμεις εξισορροπούνται μεταξύ τους στη διάρκεια του μεγαλύτερου τμήματος της ζωής ενός αστέρα. Η ισορροπία έχει ως επακόλουθο τη σταθεροποίηση όλων των φυσικών χαρακτηριστικών του αστέρα της πίεσης της θερμοκρασίας,

των διαστάσεων του κτλ. (σχ. 5.16).

Η ισορροπία του αστέρα παρουσιάζει μεγάλη ευστάθεια. Αν διαταραχτεί για οποιονδήποτε λόγο, οι τιμές των μεγεθών που την προσδιορίζουν (πίεση, θερμοκρασία, ακτίνα, ρυθμός των πυρηνικών αντιδράσεων κτλ.) μεταβάλλονται έτσι, ώστε ο αστέρας να επανέλθει στην αρχική του κατάσταση. Για παράδειγμα, αν στο εσωτερικό του παράγεται πλεόνασμα ενέργειας, προκαλείται εξαιτίας του αύξηση της πίεσης και διαστολή του αστέρα, με αποτέλεσμα την πτώση της θερμοκρασίας του. Η ελάττωση της θερμοκρασίας προκαλεί με τη σειρά της μείωση του ρυθμού των πυρηνικών αντιδράσεων και τελικά ελάττωση της παραγόμενης ενέργειας. Αν πάλι για κάποιους άλλους λόγους μειωθεί η παραγόμενη ενέργεια, τότε προκαλείται συστολή του αστέρα και ακολουθείται η αντίστροφη διαδικασία.

 

ΟΙ ΑΣΤΕΡΕΣ
Η εξέλιξη αστέρων διαφορετικής μάζας.

Σχήμα 5.16: Οι δυνάμεις λόγω της βαρύτητας και της εσωτερικής πίεσης πρέπει να εξισορροπούνται σε κάθε στρώμα.

ΣΤΑΔΙΑ ΕΞΕΛΙΞΗΣ ΕΝΟΣ ΑΣΤΕΡΑ

Το χρονικό διάστημα από τη γένεση του πρωτοαστέρα μέχρι την έναρξη των πυρηνικών αντιδράσεων στο εσωτερικό του (και επομένως την είσοδο του στην Κύρια Ακολουθία του διαγράμματος H-R) αποτελεί την πρώτη φάση της ζωής του.

Η δεύτερη φάση της ζωής ενός αστέρα ή φάση της Κύριας Ακολουθίας είναι η περίοδος της ζωής του που έχει τη μεγαλύτερη διάρκεια. Το χαρακτηριστικό της φάσης αυτής είναι η «καύση» του υδρογόνου σε ήλιο στον πυρήνα του αστέρα. Ο Ήλιος μας βρίσκεται στη φάση αυτή εδώ και 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, ενώ υπολογίζεται ότι θα παραμείνει σ' αυτή για άλλο τόσο χρονικό διάστημα.

Ένας αστέρας με 10πλάσια μάζα από τη μάζα του Ηλίου παραμένει στην Κύρια Ακολουθία πολύ

 

Οι Πλειάδες ή Πούλια αποτελούνται από αστέρες νεαρής ηλικίας.

Σχήμα 5.17: Οι Πλειάδες ή Πούλια αποτελούνται από αστέρες νεαρής ηλικίας.

Σχηματική αναπαράσταση της εξέλιξης του Ηλίου. Διακρίνονται: α) Ο σχηματισμός του πρωτοαστέρα από ένα μεσοαστρικό νέφος, β) Η είσοδος στη φάση της Κύριας Ακολουθίας με την έναρξη των πυρηνικών αντιδράσεων στον πυρήνα του. γ) Η μακρόχρονη διάρκεια της φάσης της Κύριας Ακολουθίας δ) Η φάση μετά την Κύρια Ακολουθία. Η μετατροπή του σε ερυθρό γίγαντα και τέλος σε λευκό νάνο.

Σχήμα 5.18: Σχηματική αναπαράσταση της εξέλιξης του Ηλίου. Διακρίνονται: α) Ο σχηματισμός του πρωτοαστέρα από ένα μεσοαστρικό νέφος, β) Η είσοδος στη φάση της Κύριας Ακολουθίας με την έναρξη των πυρηνικών αντιδράσεων στον πυρήνα του. γ) Η μακρόχρονη διάρκεια της φάσης της Κύριας Ακολουθίας δ) Η φάση μετά την Κύρια Ακολουθία. Η μετατροπή του σε ερυθρό γίγαντα και τέλος σε λευκό νάνο.

 

μικρότερο χρονικό διάστημα, περίπου 50 εκατομμύρια χρόνια.

Κατά τη διάρκεια της φάσης αυτής οι αστέρες εμφανίζουν μεγάλη σταθερότητα ως προς τα διάφορα φυσικά χαρακτηριστικά τους.

Το σχετικό μέγεθος ενός ερυθρού γίγαντα 5 ηλιακών μαζών και του Ηλίου.

Σχήμα 5.19: Το σχετικό μέγεθος ενός ερυθρού γίγαντα 5 ηλιακών μαζών και του Ηλίου.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ
Το πλανητικό νεφέλωμα Μάτι της Γάτας σε απόσταση 3.000 ετών φωτός στον αστερισμό του Δράκοντα. (Φωτογραφία από το HST).

Σχήμα 5.20: Το πλανητικό νεφέλωμα Μάτι της Γάτας σε απόσταση 3.000 ετών φωτός στον αστερισμό του Δράκοντα. (Φωτογραφία από το HST).

Φάση μετά την Κύρια Ακολουθία. Η τρίτη αυτή φάση αναφέρεται στην εξέλιξη του αστέρα μετά την Κύρια Ακολουθία και είναι το πιο σύντομο στάδιο της ζωής του.

Μετά την εξάντληση του υδρογόνου η ισορροπία του αστέρα καταστρέφεται. Ο πυρήνας του αρχίζει πάλι να συστέλλεται λόγω βαρύτητας, η θερμοκρασία του ανεβαίνει και, όταν φτάσει περίπου στους 108 Κ, αρχίζει η πυρηνική καύση του ηλίου σε άνθρακα. Η έναρξη αυτής της καύσης συνοδεύεται από τρομερή έκλυση ενέργειας που προκαλεί δραματική διαστολή του αστέρα. Η διαστολή αυτή έχει αποτέλεσμα την

 

Εικόνα του λευκού νάνου Σείριου Β.

Σχήμα 5.21: Εικόνα του λευκού νάνου Σείριου Β.

Μάζα 1,1 ηλιακές μάζες
Ακτίνα 0,008 ηλιακές ακτίνες (5.500 Km)
Φωτεινότητα 0,04 ηλιακές φωτεινότητες
Θερμοκρασία επιφανείας 24.000
Μέση πυκνότητα 3X109 Kg/m3

πτώση της θερμοκρασίας του και τη μετατόπιση του φάσματος της ακτινοβολίας του προς το ερυθρό. Ο αστέρας τότε μετατρέπεται σε έναν ερυθρό γίγαντα.

Αυτή είναι η πορεία που θα ακολουθήσει και ο Ήλιος. Στη φάση αυτή η ακτίνα του Ηλίου θα γίνει περίπου ίση με 1,1 A.U. και η Γη θα περιστρέφεται στα όρια της εξωτερικής του ατμόσφαιρας. Τότε η ατμόσφαιρα της Γης θα διαλυθεί και τα εξωτερικά στρώματα του φλοιού της θα αρχίσουν να εξατμίζονται. Η ακτίνα περιφοράς της Γης γύρω από τον Ήλιο θα μειώνεται σταδιακά λόγω της τριβής και σε λιγότερο από 200 χρόνια θα συγχωνευτεί με τον πυρήνα του. Η αυξανόμενη λαμπρότητα του Ηλίου θα εξατμίσει και τους υπόλοιπους εσωτερικούς πλανήτες, ενώ οι εξωτερικοί θα χάσουν τα παγωμένα εξωτερικά τους στρώματα, ώσπου να εμφανιστούν οι πετρώδεις πυρήνες τους.

Αν ο αστέρας έχει μάζα πολύ μεγαλύτερη από τη μάζα του Ηλίου, τότε, μετά την εξάντληση του στοιχείου ηλίου, ακολουθείται πάλι μια διαδικασία παρόμοια με την προηγούμενη: Ο πυρήνας συστέλλεται εκ νέου λόγω βαρύτητας, η θερμοκρασία του ανεβαίνει στους 109 Κ, οπότε αρχίζει η πυρηνική καύση του άνθρακα. Η ενέργεια που απελευθερώνεται είναι τώρα ακόμα μεγαλύτερη. Ο αστέρας διαστέλλεται και παίρνει τρομακτικές διαστάσεις. Γίνεται ένας ερυθρός υπεργίγαντας.

 

 

Τελικά στάδια της εξέλιξης. Το τελευταίο στάδιο της εξέλιξης ενός αστέρα είναι το πιο αβέβαιο. Η πορεία που θα ακολουθηθεί εξαρτάται από τη μάζα που έχει ο αστέρας.

 

 

Α. Λευκοί νάνοι

Οι αστέρες με μάζα περίπου ίση με τη μάζα του Ηλίου μετά το στάδιο του ερυθρού γίγαντα χάνουν σταδιακά μέσα σε 1.000 χρόνια περίπου το 10-20% της αρχικής τους μάζας, λόγω του πολύ ισχυρού αστρικού ανέμου που εκπέμπεται από την επιφάνεια του αστέρα.

Η ύλη που μεταφέρεται από τον αστρικό άνεμο σχηματίζει ένα πλανητικό νεφέλωμα (εικ. 5.20).

Στα τέλη του 1920 ο περίφημος Ινδός αστροφυσικός Chandrasekhar ανέπτυξε τη θεωρία των λευκών νάνων: Όταν εξαντληθεί το ήλιο, ο πυρήνας του αστέρα, που αποτελείται τώρα από

ΟΙ ΑΣΤΕΡΕΣ
Ότι απέμεινε από την έκρηξη του υπερκαινοφανούς αστέρα SN1987A. Απόσταση 170.000 ε φ.

Σχήμα 5.22: Ότι απέμεινε από την έκρηξη του υπερκαινοφανούς αστέρα SN1987A. Απόσταση 170.000 ε φ.

 

άνθρακα, συρρικνώνεται πάλι λόγω βαρύτητας. Η μάζα όμως του αστέρα είναι σχετικά μικρή. Έτσι οι βαρυτικές δυνάμεις δεν είναι τόσο ισχυρές, ώστε η πίεση και η θερμοκρασία που προκαλούν να φτάσουν τις τιμές που απαιτούνται, για να ξεκινήσει η πυρηνική καύση του άνθρακα. Τελικά ο πυρήνας φτάνει σε μια κατάσταση όπου η ύλη βρίσκεται σε πλήρη ιονισμό.

πυκνότητας, το νέφος καταρρέει λόγω της βαρύτητας προς το κέντρο της μάζας του και ταυτόχρονα αρχίζει να περιστρέφεται.

Τα ελεύθερα πλέον ηλεκτρόνια σχηματίζουν ένα νέφος, που αναπτύσσει ισχυρή εσωτερική πίεση στον πυρήνα του αστέρα. Η πίεση του νέφους των ηλεκτρονίων αντισταθμίζει τη βαρυτική συστολή και έτσι ο αστέρας ισορροπεί. Μετατρέπεται σε ένα λευκό νάνο.

Στο εσωτερικό του λευκού νάνου δε συμβαίνουν πια θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Αυτός αποτελείται κυρίως από άνθρακα με κρυσταλλική δομή και συνεχίζει να εκπέμπει ακτινοβολία από την εσωτερική ενέργεια που περιέχει. Επειδή δεν έχει πηγές ενέργειας, ο λευκός νάνος σταδιακά ψύχεται, η ακτινοβολία που εκπέμπει μειώνεται και τελικά μετατρέπεται σε έναν καστανό και στη συνέχεια σε μαύρο νάνο.

Αυτή είναι η πορεία που θα ακολουθήσει και ο Ήλιος. Υπολογίζεται ότι χρειάζονται 10 δισεκατομμύρια χρόνια από τη διαδικασία σχηματισμού του μέχρι να γίνει λευκός νάνος. Υπολογίζεται επίσης ότι χρειάζεται το ίδιο χρονικό

Πώς ένας αστέρας με μάζα πενταπλάσια ή δεκαπλάσια της μάζας του Ηλίου καταλήγει σε αστέρα νετρονίων;

Στους πυρήνες των αστέρων αυτών η θερμοκρασία που αναπτύσσεται μετά την «καύση» του ηλίου, λόγω της βαρυτικής συστολής, είναι εξαιρετικά υψηλή. Το γεγονός αυτό ευνοεί την πραγματοποίηση θερμοπυρηνικών αντιδράσεων, κατά τις οποίες ο άνθρακας μετατρέπεται τελικά σε σίδηρο.

Ο σχηματισμός σιδήρου σηματοδοτεί το τέλος της παραγωγής ενέργειας μέσω πυρηνικών αντιδράσεων. Για να πραγματοποιηθούν οι πυρηνικές αντιδράσεις του σιδήρου, απαιτείται και δεν παράγεται ενέργεια. Έτσι οι πυρηνικές αντιδράσεις σταματούν. Η πίεση του νέφους των ηλεκτρονίων δεν είναι αρκετά ισχυρή για να ανακόψει τη βαρυτική συστολή. Η βαρύτητα χωρίς ανταγωνιστή προκαλεί κατάρρευση του πυρήνα σε κλάσμα του δευτερολέπτου, με ταχύτητες που φτάνουν το 15 - 30% της ταχύτητας του φωτός. Η πυκνότητα του πυρήνα αυξάνει υπερβολικά, καθώς οι διαστάσεις του μειώνονται εκπληκτικά. Για παράδειγμα, ένας υποθετικός αστέρας με διάμετρο αντίστοιχη της Γης θα κατέληγε σε αντικείμενο διαμέτρου μόλις 50 mm.

Όταν η πυκνότητα του πυρήνα, γίνει πολύ μεγαλύτερη από αυτή του λευκού νάνου, τα πρωτόνια και τα νετρόνια απελευθερώνονται από τους πυρήνες των ατόμων. Τα ηλεκτρόνια συγχωνεύονται με τα πρωτόνια και τα μετατρέπουν σε νετρόνια. Δημιουργείται έτσι ένα αέριο νετρονίων, του οποίου η πίεση είναι ικανή να σταματήσει απότομα την κατάρρευση του πυρήνα.

Το υλικό των ανώτερων στρωμάτων του αστέρα, που συνεχίζει να καταρρέει, συγκρούεται με τον πυρήνα και αναπηδά. Αυτή η κατάσταση δημιουργεί ένα ισχυρότατο (οστικό κύμα που προκαλεί φοβερή έκρηξη, γνωστή με τον όρο έκρηξη υπερκαινοφανούς τύπου II. (Αλλού τύπου έκρηξη υπερκαινοφανούς συμβαίνει σε συστήματα διπλών αστέρων με διαφορετικούς μηχανισμούς και είναι γνωστή ως έκρηξη τύπου I).

Η ενέργεια που εκλύεται κατά την έκρηξη υπερκαινοφανούς εκπέμπεται στο διάστημα με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και με τη μορφή νετρίνων. Μόνον η ενέργεια της Η/Μ ακτινοβολίας ισοδυναμεί με τη συνολική ενέργεια που εκπέμπει ο Ήλιος μάς σε όλη τη διάρκεια της ζωής του. Η μέγιστη λαμπρότητα ενός υπερκαινοφανούς ισοδυναμεί με τη συνολική λαμπρότητα 10 δισεκατομμυρίων ήλιων, ίδιων με το δικό μάς Ήλιο.

Το υπόλειμμα της έκρηξης ενός αστέρα μεσαίας κατηγορίας είναι ο πυρήνας του, ο οποίος, όπως είδαμε, αποτελείται από νετρόνια. Έχει έτσι σχηματιστεί ένας αστέρας νετρονίων.

Συνήθως η μάζα ενός αστέρα νετρονίων είναι ίση με 1,5 - 2,0 ηλιακές. Η διάμετρος του είναι 15 - 20 Km, δεν ξεπερνάει δηλαδή τη διάμετρο μιας μικρής πόλης!

Όταν οι αστέρες νετρονίων περιστρέφονται ονομάζονται πάλσαρς (pulsars) και εκπέμπουν περιοδικά ραδιοκύματα. Ο πρώτος pulsar παρατηρήθηκε από μια μεταπτυχιακή φοιτήτρια του Cambridge, η οποία τον Νοέμβριο του 1967 ανακάλυψε μία περίεργη περιοδική πηγή ραδιοκυμάτων. Στην αρχή φαντάστηκε ότι επρόκειτο για σήματα από  εξωγήινο πολιτισμό. Σύντομα όμως ανιχνεύτηκαν  τρεις ακόμα παρόμοιες ραδιοπηγές και έτσι έγινε φανερό ότι οι αιτίες της ραδιοεκπομπής ήταν φυσικές.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ
Τα σχετικά μεγέθη της Γης ενός λευκού νάνου και ενός αστέρα νετρονίων μιας ηλιακής μάζας.

Σχήμα 5.23: Τα σχετικά μεγέθη της Γης ενός λευκού νάνου και ενός αστέρα νετρονίων μιας ηλιακής μάζας.

διάστημα, για να μετατραπεί από λευκός σε μαύρο νάνο. Όταν ο Ήλιος μας καταλήξει σε λευκό νάνο, θα έχει περίπου το μέγεθος της Γης και πυκνότητα 109 Kg/m3 (σημειώστε ότι η σημερινή πυκνότητα του Ηλίου είναι μόλις 1.400 Kg/m3 και της Γης 5.500 Kg/m3!).

 

Β. Αστέρες νετρονίων

Οι αστέρες των οποίων οι μάζες κυμαίνονται από 5 έως 10 ηλιακές μάζες περνούν από τη φάση του ερυθρού γίγαντα δύο φορές. Όπως εξηγήθηκε στην προηγούμενη παράγραφο, αυτό γίνεται με τις διαδοχικές πυροδοτήσεις της πυρηνικής καύσης του ηλίου και του άνθρακα.

Μετά από μια βίαιη έκρηξη, που ονομάζεται έκρηξη υπερκαινοφανούς αστέρα, καταλήγουν σε αστέρες νετρονίων. Οι τελευταίοι αποτελούνται κατά κύριο λόγο από νετρόνια. Έχουν εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα και η διάμετρος τους είναι μόλις περί τα 10 Km. Οι αστέρες νετρονίων εμφανίζουν πολύ ισχυρό βαρυτικό και μαγνητικό πεδίο.

 

Γ. Μελανές οπές

Τέλος, στους αστέρες μεγάλης μάζας -πάνω από 20 ηλιακές μάζες- η πίεση του νετρονικού νέφους δεν είναι ικανή να ανακόψει τη βαρυτική κατάρρευση του πυρήνα τους. Οι αστέρες αυτοί, αφού περάσουν από το στάδιο του υπεργίγαντα, μετά την έκρηξη υπερκαινοφανούς

 

Η πρόβλεψη της ύπαρξης και η έμμεση παρατήρηση των μελανών οπών θεωρείται ότι είναι ένα από τα πιο σύγχρονα επιτεύγματα της Κοσμολογίας. Παρ' όλα αυτά, πρώτος ο γάλλος μαθηματικός Λαπλάς το 1796 ανέφερε ότι, σύμφωνα με τη θεωρία της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα, θα πρέπει αστέρες μεγάλης μάζας να καμπυλώνουν ισχυρά το φως και, επομένως, να μη μπορούμε να τους δούμε. Βέβαια μόνο στα πλαίσια της Γενικής θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν είναι δυνατή η ακριβής θεωρητική περιγραφή των αντικειμένων αυτών και των ιδιοτήτων τους.
Σχηματική αναπαράσταση της αλλοίωσης της περιοχής γύρω από μια μαύρη τρύπα.

Σχήμα 5.24: Σχηματική αναπαράσταση της αλλοίωσης της περιοχής γύρω από μια μαύρη τρύπα.

καταλήγουν σε μελανές οπές ή, όπως συνήθως λέγονται, μαύρες τρύπες. Πρόκειται για αντικείμενα των οποίων η πυκνότητα θεωρητικά τείνει στο άπειρο και οι γνωστές υλικές δομές καταστρέφονται.

Οι μαύρες τρύπες είναι μια αινιγματική κατάσταση του χώρου και του χρόνου. Το βαρυτικό πεδίο κοντά σε αυτές είναι τόσο ισχυρό, ώστε δεν μπορεί να διαφύγει ούτε το φως. Για το λόγο αυτό οι μελανές οπές δεν είναι άμεσα ορατές (γεγονός από το οποίο προέρχεται και το όνομά τους).

Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΗΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ

Ένας αστέρας λοιπόν εξελίσσεται, λόγω των διαφορετικών ειδών πυρηνικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στον πυρήνα του στη διάρκεια της ζωής του. Ο καθοριστικός παράγοντας που προσδιορίζει τις μελλοντικές του καταστάσεις είναι η αρχική του μάζα και η χημική του σύσταση.

Ο θάνατος των αστέρων παίζει έναν εξαιρετικά σημαντικό ρόλο στον κύκλο ζωής των γαλαξιών, αλλά και γενικότερα του Σύμπαντος, όπως θα δούμε λεπτομερέστερα στο κεφάλαιο 9.

 

ΣΗ καμπύλη της έντασης του φωτός ενός περιοδικού μεταβλητού αστέρα.

Σχήμα 5.25: ΣΗ καμπύλη της έντασης του φωτός ενός περιοδικού μεταβλητού αστέρα.

ΟΙ ΑΣΤΕΡΕΣ
Οι αξιοσημείωτες μεταβολές φωτός.

 

Οι αξιοσημείωτες μεταβολές φωτός.

Σχήμα 5.26: Οι αξιοσημείωτες μεταβολές φωτός. Άλλοτε χάνονται εντελώς και άλλοτε γίνονται εμφανείς. Φωτογραφίες του ίδιου αστρικού πεδίου που έχουν ληφθεί σε διαφορετικούς χρόνους.Ο υπερκαινοφανής 1987Α.

Σχήμα 5.27: Ο υπερκαινοφανής 1987Α.

Κατά την έκρηξη των υπερκαινοφανών αστέρων τα χημικά στοιχεία που είχαν σχηματιστεί από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στον πυρήνα τους εκτοξεύονται στο διάστημα. Εμπλουτίζουν με τον τρόπο αυτό τη μεσοαστρική ύλη με άτομα χημικών στοιχείων κάθε είδους. Από την εμπλουτισμένη μεσοαστρική ύλη δημιουργούνται νέοι αστέρες και πλανητικά συστήματα που έχουν πιο σύνθετη χημική σύσταση από τα παλαιότερα. Τα χημικά στοιχεία που συναντάμε σήμερα στη Γη γεννήθηκαν στον πυρήνα κάποιου αστέρα που εξερράγη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.

Οι νεότεροι αστέρες, στους οποίους ανήκει και ο Ήλιος, και οι οποίοι έχουν σχηματιστεί από εμπλουτισμένη με βαρύτερα στοιχεία μεσοαστρική ύλη λέμε ότι αποτελούν τον «Πληθυσμό αστέρων τύπου Ι». Σε αντιδιαστολή με την ομάδα αυτή οι παλαιότεροι αστέρες, που πρώτοι δημιουργήθηκαν στο Γαλαξία μας, αποτελούνται σχεδόν αποκλειστικά από υδρογόνο και ήλιο. Η ομάδα των γηραιότερων αστέρων αποκαλείται «Πληθυσμός αστέρων τύπου ΙΙ».

Παρατηρούμε λοιπόν ότι οι δύο πληθυσμοί αστέρων διαφέρουν μεταξύ τους σε ηλικία και χημική σύσταση. Απαντώνται σε διαφορετικές περιοχές του Γαλαξία.

 

ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΙ ΑΣΤΕΡΕΣ

Όπως είδαμε, οι αστέρες κατά τη διάρκεια της ζωής τους περνούν περιόδους αργών μεταβολών, αλλά και περιόδους που χαρακτηρίζονται από γρήγορες και εντυπωσιακές μεταβολές. Στις περιόδους ηρεμίας εμφανίζονται ως κανονικοί αστέρες, ενώ στις περιόδους έντονων μεταβολών ως μεταβλητοί αστέρες.

Οι μεταβλητοί αστέρες διακρίνονται σε φυσικούς μεταβλητούς και σε εκλειπτικούς μεταβλητούς. Στους φυσικούς μεταβλητούς η μεταβολή της λαμπρότητας οφείλεται σε φυσικά αίτια. Στους εκλειπτικούς μεταβλητούς η παρατηρούμενη μεταβολή της λαμπρότητας οφείλεται σε φαινόμενα έκλειψης του ενός αστέρα από έναν άλλο με τον οποίο αποτελούν μαζί ένα ζεύγος αστέρων.

Οι φυσικοί μεταβλητοί διακρίνονται: α) Σε παλλόμενους μεταβλητούς, που η μεταβολή της λαμπρότητας τους οφείλεται σε περιοδικές αναπάλσεις (συστολή και διαστολή) της ατμόσφαιράς τους. β) Σε εκρηκτικούς μεταβλητούς, που χαρακτηρίζονται από απότομες και βίαιες μεταβολές.

Οι πιο σημαντικοί μεταβλητοί αστέρες της πρώτης κατηγορίας είναι οι Κηφείδες, που συμπληρώνουν τη μεταβολή της λαμπρότητάς τους σε μερικές ώρες ή μέρες. Η μεταβολή αυτή δείχνει μεγάλη κανονικότητα και η περίοδος της σχετίζεται με το απόλυτο μέγεθος τους (εικ. 5.25).

Στην κατηγορία των εκρηκτικών μεταβλητών ανήκουν αστέρες που παρουσιάζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ
Ότι απέμεινε από την έκρηξη του υπερκαινοφανούς αστέρα SN1987A. Απόσταση 170.000 ε φ.

Σχήμα 5.28: Ότι απέμεινε από την έκρηξη του υπερκαινοφανούς αστέρα SN1987A. Απόσταση 170.000 ε φ.

Τέτοιοι είναι οι καινοφανείς αστέρες ή novae. Οι αστέρες αυτοί, ενώ είναι πολύ αμυδροί, μέσα σε λίγες ώρες ή ημέρες γίνονται περίπου 105 φορές φωτεινότεροι, με αποτέλεσμα να φαίνονται με γυμνό μάτι ως αστέρες πρώτου μεγέθους. Πιστεύεται ότι αυτό συμβαίνει, επειδή γίνονται εκρήξεις στις επιφανειακές στιβάδες του αστέρα. Αν η φωτεινότητα τους γίνει 108 φορές μεγαλύτερη, τότε φαίνονται και την ημέρα. Αυτοί είναι οι υπερκαινοφανείς ή supernovae. Και στις δύο περιπτώσεις έχουμε έκρηξη των αστέρων και διαστολή της θερμής ύλης τους. Η δεύτερη βέβαια περίπτωση αναφέρεται σε φαινόμενα ασύγκριτα μεγαλύτερης κλίμακας.

 

 

 

 

 

 

Πώς παρατηρούμε τις μαύρες τρύπες;

Ξέρουμε ότι οι μαύρες τρύπες δεν επιτρέπουν στο φως να ξεφύγει από αυτές. Ίσως, εύλογα κάποιος σκεφτεί ότι δεν μπορούμε να τις ανιχνεύσουμε. Η ανίχνευσή τους είναι ωστόσο δυνατή με διάφορους έμμεσους τρόπους στις εξής περιπτώσεις:

Α) Περίπτωση που η μαύρη τρύπα αποτελεί τμήμα διπλού αστέρα: Τότε θερμό υλικό από τον άλλο αστέρα του ζεύγους έλκεται από τη μαύρη τρύπα και απορροφάται από αυτήν. Κατά την κίνησή τους προς τη μαύρη τρύπα τα σωματίδια του υλικού αποκτούν πολύ μεγάλες επιταχύνσεις, με αποτέλεσμα να εκπέμπουν ακτίνες Χ. Τέτοιου είδους πηγές ακτινών Χ έχουν προσδιοριστεί από. το δορυφόρο Uhuru ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του

1970. Η πρώτη πηγή ακτίνων Χ που αποδείχτηκε ότι οφείλεται στο φαινόμενο που περιγράφαμε ονομάστηκε Κύκνος Χ-1. Η Κύκνος Χ-1 προέρχεται από ένα ζεύγος αστέρων που αποτελείται από μια μαύρη τρύπα και τον υπεργίγαντα HDE 226868.

 

Β) Περίπτωση παρατήρησης εκτροπής του φωτός, όταν διέρχεται κοντά από μια μαύρη τρύπα: Το φαινόμενο αυτό προβλέπεται από τη Γενική θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Καθώς οι ακτίνες του φωτός πλησιάζουν τη μαύρη τρύπα, καμπυλώνονται λόγω του ισχυρού βαρυτικού της πεδίου. Το αποτέλεσμα είναι ότι ο επίγειος παρατηρητής βλέπει δύο εικόνες του αστέρα. Η μαύρη τρύπα λειτουργεί σαν ένας βαρυτικός φακός.

εικόνα

Η ιστορία του υπερκαινοφανούς SN1987 Α

Οι πρώτοι υπερκαινοφανείς αστέρες παρατηρήθηκαν από τη Γη το 1054 και το 1572. Ήταν ένας υπερκαινοφανής στο Νεφέλωμα του Καρκίνου και ο αστέρας του Tycho Brahe, αντίστοιχα. Τα υπολείμματα των εκρήξεων αυτών είναι και σήμερα ορατά σαν διαστελλόμενα μεσοαστρικά νέφη. Η έκρηξη στο νεφέλωμα του Καρκίνου έγινε 6.500 χρόνια πριν την παρατήρησή της. Δηλαδή τόσα χρόνια, όσα απαιτήθηκαν για να ταξιδέψει το φως του αστέρα μέχρι τη Γη. Ο υπερκαινοφανής αυτός ήταν τόσο λαμπρός, που ακόμα και την ημέρα ήταν ορατός.

Η παρατήρηση υπερκαινοφανών είναι ένα σπάνιο φαινόμενο για το Γαλαξία μας και τους γειτονικούς του γαλαξίες. Το 1987 παρατηρήθηκε μια τέτοιου τύπου έκρηξη στο συνοδό του δικού μας γαλαξία, το Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου, που απέχει από τη Γη 160.000 έτη φωτός. Η ανακάλυψη αυτή έγινε από τον Καναδό αστρονόμο lan Shelton. Ο αστέρας που εξερράγη ήταν ένας ήδη γνωστός -καταγεγραμμένος- αστέρας 20 ηλιακών μαζών. Μετά την έκρηξη του ονομάστηκε SN1987A. Το φαινόμενο μέγεθος του αστέρα, πριν την έκρηξή του, είχε την τιμή 12 και κατά τη διάρκεια του φαινομένου έγινε 3, δηλαδή η φαινόμενη λαμπρότητά του αυξήθηκε κατά ένα συντελεστή 4.000!

Οι αστρονόμοι υπολόγισαν ότι θα έπρεπε να υπήρχε και σημαντική ροή νετρίνων, πριν από την παρατήρηση, προερχόμενη από την έκρηξη του αστέρα. Πραγματικά, οι ανιχνευτές νετρίνων στην Ιαπωνία και την Αμερική επιβεβαίωσαν ότι 3 ώρες πριν από την καταγραφή του φαινομένου επισημάνθηκε ασυνήθιστα μεγάλος αριθμός νετρίνων. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαίωσαν τις θεωρίες για αυτού του τύπου τις εκρήξεις, αλλά και το γεγονός ότι τα νετρίνα κινούνται με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός και εύκολα διαπερνούν τα στερεά σώματα. Η Ιαπωνία και η Αμερική βρίσκονται στο βόρειο ημισφαίριο, ενώ το Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου στο νότιο. Αυτό σημαίνει ότι τα νετρίνα ανιχνεύτηκαν. Αφού προηγουμένως διαπέρασαν τη Γη!

ΟΙ ΑΣΤΕΡΕΣ

Πάλσαρς

Τι απέμεινε όμως μετά από την ισχυρή έκρηξη του SN1987A;

Γνωρίζουμε ήδη ότι, ανάλογα με τη μάζα του αρχικού αστέρα, το υπόλειμμα θα είναι είτε μία μαύρη τρύπα είτε ένας αστέρας νετρονίων.

Το δεύτερο ενδεχόμενο συνέβη και στην περίπτωση του SN1987A. Ο πυρήνας του κατάρρευσε ταχύτατα και μετατράπηκε σε αστέρα νετρονίων.

Ένας αστέρας νετρονίων διαθέτει τρία πολύ σημαντικά χαρακτηριστικά:

α) Περιστρέφεται γύρω από κάποιον άξονά του. Αυτό οφείλεται στη διατήρηση της στροφορμής που είχε ο αστέρας από τον οποίο προέκυψε.

β) Έχει ισχυρότατο μαγνητικό πεδίο.

γ) Τα ηλεκτρόνια που είναι παγιδευμένα στο μαγνητικό του πεδίο εκπέμπουν ραδιοκύματα.

Έτσι ένας αστέρας νετρονίων εκπέμπει ραδιοκύματα, τα οποία, λόγω της περιστροφής του, ανιχνεύονται με τη μορφή ραδιοπαλμών. Κάθε παρόμοιου τύπου πηγή περιοδικών παλμών ακτινοβολίας ονομάζεται πάλσαρ (pulsar).

Ένας επίγειος παρατηρητής που βρίσκεται στην ευθεία της ακτινοβολίας που εκπέμπει ένας πάλσαρ λαμβάνει παλμούς. Η ένταση των παλμών μεταβάλλεται περιοδικά, καθώς ο πάλσαρ περιστρέφεται. Τον Οκτώβριο του 1968 η θεωρία αυτή επιβεβαιώθηκε, καθώς παρατηρήθηκε για πρώτη φορά ένας pulsar στο νεφέλωμα του Καρκίνου.