Δομή και πηγή ενέργειας των αστέρων

Οι πιο χαρακτηριστικές παράμετροι των αστέρων είναι η φωτεινότητα L , η θερμοκρασία επιφάνειας στις διάφορες μορφές της (π.χ. χρώματος, ενεργός, διεγέρσεως) , η μάζα M , η ακτίνα R , και η χημικοί τους σύνθεση. Οι τιμές αυτών των μεγεθών αντανακλούν την κατάσταση του εσωτερικού των αστέρων. Οι τιμές αυτές μπορούν να αλλάξουν αν γίνει μια εσωτερική διεργασία στον αστέρα. Για παράδειγμα μια έντονη εκπομπή ακτινοβολίας από το εσωτερικό του αστέρα προς τα έξω θα σπρώξει τα αέρια με αποτέλεσμα την αύξηση της ακτίνας του. Γενικά ένας αστέρας δεν μεταβάλλει εύκολα τις παραμέτρους του. Στην αστροφυσική λέμε ότι ένας αστέρας βρίσκεται σε κατάσταση σχεδόν – στατικής ισορροπίας (quasi – static equilibrium). Για να αντιληφθούμε την κλίμακα του χρόνου που απαιτείται για μία ουσιαστική μεταβολή των φυσικών παραμέτρων ενός αστέρος, αρκεί να αναφέρουμε ότι η θερμοκρασία του Ήλιου παραμένει αμετάβλητη τα τελευταία τρία δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτή η ισορροπία οφείλεται σε δύο ίσες και αντίθετες δυνάμεις, την βαρυτική και την δύναμη λόγω ακτινοβολίας. Η βαρυτική δύναμη οφείλεται στο βάρος του αστέρα και προσπαθεί να τον συμπιέσει, συρρικνώσει. Η δύναμη λόγω ακτινοβολίας οφείλεται σε σκεδάσεις («συγκρούσεις») των εκπεμπόμενων φωτονίων με τα σωματίδια του αερίου που αποτελεί τον αστέρα. Αυτή η δύναμη είναι αντίθετη της βαρυτικής. Όταν ο αστέρας βρίσκεται σε ισορροπία αυτές οι δύο δυνάμεις είναι ίσες και αντίθετες. Όταν βρισκόμαστε σε περίοδο μεταβολής τότε μία από τις δύο υπερτερεί.
.

Πηγές ενέργειας των αστέρων

Από μακροχρόνιες μετρήσεις έχει διαπιστωθεί ότι το ποσό της ενέργειας που δέχεται από τον Ήλιο η επιφάνεια της Γης είναι 1.36 (106) erg/sec. Η ποσότητα αυτή ονομάζεται ηλιακή σταθερά. Από την τιμή της ηλιακής σταθεράς υπολογίζεται ότι η ολική ακτινοβολούμενη ενέργεια από τον Ήλιο είναι περίπου 4 (1033)erg/sec.

Οι πρώτες θεωρίες που προσπαθούσαν να εξηγήσουν την τεράστια αυτή έκλυση ενέργειας, αναφέρονταν σε απλές χημικές αντιδράσεις όπως καύση ξύλου ή άνθρακα. Όμως αν συνδυάσουμε το μέγεθος του Ήλιου και την ταχύτητα καύσης του ξύλου θα καταλήγαμε σε μία ενεργειακή πηγή που θα διαρκούσε για σχετικά μικρό χρονικό διάστημα, περίπου 50000 χρόνια. Αυτή η θεωρία δεν ευσταθή αφού γεωλογικές μελέτες έχουν αποδείξει ότι η ηλικία του Ηλιακού συστήματος είναι περίπου τρία δισεκατομμύρια χρόνια.

Πριν από εκατό περίπου χρόνια οι Kelvin και Helmholtz διατύπωσαν τη θεωρία ότι η ακτινοβολούμενη ενέργεια οφείλεται σε συστολή του Ήλιου, η οποία έχει σαν αποτέλεσμα την αποδέσμευση της δυναμικής ενέργειας του πεδίου βαρύτητας. Το πρόβλημα αυτής της θεωρίας, όπως και της προηγούμενης ήταν το μικρό χρονικό διάστημα. Αυτός ο μηχανισμός έχει έναν χρόνο ζωής μόνο μερικά εκατομμύρια χρόνια.

Σήμερα η σύγχρονη φυσική έχει δώσει την πολυπόθητη απάντηση, σε ένα πρόβλημα που βασάνιζε τους επιστήμονες για αρκετούς αιώνες. Οι σύγχρονες θεωρίες της κβαντικής και πυρηνικής φυσικής μας δίνουν την απάντηση στο πρόβλημα της ενεργειακής πηγής του Ήλιου και γενικότερα των αστέρων. Η πηγή ενέργειας των αστέρων είναι οι πυρηνικές αντιδράσεις. Αυτές διακρίνονται σε δύο είδη: την πυρηνική σχάση (fission), γνωστή από τις ατομικές βόμβες, και την Πυρηνική Σύντηξη (fusion),γνωστή από τις βόμβες υδρογόνου. Η πρώτη είναι αμελητέα αφού δεν υπάρχουν βαρέα στοιχεία στους αστέρες. Οπότε η πυρηνική σύντηξη είναι η κύρια πηγή ενέργειας των αστέρων.

Η παραγωγή ενέργειας οφείλεται στην μετατροπή της μάζας σε ενέργεια σύμφωνα με τον γνωστό τύπο:

.

όπου E η εκλυόμενη ενέργεια, m η μάζα που μετατρέπεται σε ενέργεια και c η ταχύτητα του φωτός. Για τον Ήλιο, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το ποσό της εκλυόμενης ενέργειας ανέρχεται στο ποσό των 4 (1033) erg/sec. Σύμφωνα με τον παραπάνω τύπο μπορούμε να υπολογίσουμε τον ρυθμό με τον οποίον χάνει μάζα ο Ήλιος. Ο ρυθμός αυτός ανέρχεται στο ποσό των 4,5 (1012) g/sec ή 4,5 εκατομμυρίων τόνων το δευτερόλεπτο. Το ποσό αυτό μπορεί να είναι τεράστιο για τα ανθρώπινα δεδομένα αλλά είναι πολύ μικρό συγκρινόμενο με την ολική μάζα του Ήλιου η οποία είναι ίση με 2 1027 τόνους. Υπολογίζεται ότι με αυτόν τον ρυθμό ο Ήλιος θα συνεχίζει να ακτινοβολεί για τα επόμενα 4,5 – 5 δισεκατομμύρια χρόνια.

Οι αστέρες αποτελούνται κατά ένα μεγάλο ποσοστό από υδρογόνο, τουλάχιστον στα πρώτα στάδια και στα μέσα της ζωής τους . Αυτό προκύπτει φασματοσκοπικά, δηλαδή στο φάσμα ενός αστέρα οι γραμμές του υδρογόνου είναι έντονες. Οπότε αυτό που μας ενδιαφέρει κυρίως είναι η πυρηνική σύντηξη του υδρογόνου σε ήλιο. Υπάρχουν δύο μηχανισμοί: ο κύκλος του άνθρακα, που λαμβάνει χώρα όταν η κεντρική θερμοκρασία του αστέρα είναι μεγαλύτερη από 15 εκατομμύρια βαθμούς, και τον μηχανισμό πρωτονίου – πρωτονίου, όταν έχουμε μικρότερες θερμοκρασίες όπως στην περίπτωση του Ήλιου. Μία σύντομη και απλοποιημένη περιγραφή του μηχανισμού πρωτονίου – πρωτονίου είναι η ακόλουθη. Δύο πρωτόνια (1Η1 ) συγκρούονται μεταξύ τους παράγοντας έναν πυρήνα δευτερίου ( 1Η2) (βαρύ υδρογόνο) καθώς επίσης και ένα ποζιτρόνιο ( 3+) (αντιύλη του ηλεκτρονίου) και ένα νετρίνο (ν). Το δευτέριο συγκρούεται με ένα άλλο πρωτόνιο παράγοντας έναν ελαφρύ πυρήνα ηλίου ( 2He3) καθώς και ακτινοβολία γ. Στη συνέχεια δύο ελαφροί πυρήνες ηλίου που ήδη σχηματίσθηκαν στο προηγούμενο στάδιο, συγκρούονται παράγοντας έναν πυρήνα κανονικού ηλίου ( 2He4) και επιπλέον δύο πρωτόνια τα οποία είναι και πάλι ελεύθερα να ξεκινήσουν το πρώτο στάδιο της πυρηνικής αντίδρασης. Τα 4 πρωτόνια έχουν μάζα m = 4.032 ατομικές μονάδες (amu) ενώ το παραγόμενο ήλιο έχει μάζα m = 4.003 amu. Παρατηρούμε ότι υπάρχει μία διαφορά μάζας Δm = 0.0029 amu, η οποία προφανώς μετατράπηκε σε ενέργεια. Η ενέργεια αυτή έχει την μορφή ακτινοβολίας γ. Η ακτινοβολία γ έχει πολύ μικρά μήκη κύματος με αποτέλεσμα να μην είναι ορατή στον ανθρώπινο οφθαλμό. Όμως οι διαδοχικές αλληλεπιδράσεις με το αστρικό υλικό έχουν σαν αποτέλεσμα την παραγωγή ακτινοβολίας σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, η οποία τελικά εμφανίζεται στην επιφάνεια των αστέρων σαν φωτεινή ακτινοβολία.

.

Εξέλιξη των αστέρων

1. Δημιουργία
.

Η γέννηση των αστέρων αποτελεί το περισσότερο άγνωστο μέρος της αστρικής εξέλιξης. Υπάρχουν αρκετές θεωρίες που περιγράφουν την γέννηση ενός αστέρα. Εκεί που συμφωνούν όλες οι θεωρίες είναι ότι τα αστέρια δημιουργούνται από στροβιλισμούς της μεσοαστρικής ύλης και κυρίως των νεφών του υδρογόνου. Οι τυχαίες κινήσεις των ατόμων του υδρογόνου μέσα στο νέφος δημιουργεί συμπυκνώματα ύλης με αποτέλεσμα η αυξημένη βαρυτική δύναμη στην περιοχή της συμπύκνωσης να έλκει περισσότερο υλικό από το νέφος. Με λίγα λόγια η δημιουργία ενός αστέρα είναι ένα σχετικά τυχαίο γεγονός, όπως και η δημιουργία του Ήλιου και κατ’ επέκταση η ύπαρξή μας. Σε αυτό το σημείο το συμπύκνωμα ονομάζεται πρωτοαστέρας και είναι αρκετά ψυχρό περίπου 100 K. Η θερμοκρασία αυξάνει γρήγορα λόγω της συστολής του αερίου από την επίδραση των βαρυτικών δυνάμεων προς το κέντρο του πρωτοαστέρα. Περίπου ένα έτος μετά την αρχή της κατάρρευσης η θερμοκρασία του κέντρου γίνεται 50000 K. Στη θερμοκρασία αυτή αρχίζει ο ιονισμός του υδρογόνου, δηλαδή η απομάκρυνση των ηλεκτρονίων από το άτομο. Σε αυτό το σημείο ο αστέρας γεμίζει από μη δεσμευμένα ηλεκτρόνια με αποτέλεσμα αυτά λόγω επιταχύνσεων αρχίζουν να ακτινοβολούν και ο αστέρας να γίνεται ένα φωτεινό σώμα.

2. Ενηλικίωση

Για τα επόμενα 10 εκατομμύρια έτη η κατάρρευση συνεχίζεται και η θερμοκρασία φτάνει στους 10 εκατομμύρια Κ. Στη θερμοκρασία αυτή αρχίζει η λεγόμενη «καύση» του υδρογόνου, δηλαδή η πυρηνική σύντηξη του υδρογόνου σε ήλιο και ο αστέρας αρχίζει να ακτινοβολεί έντονα. Η δύναμη που οφείλεται στην ακτινοβολία επιβραδύνει αρχικά και τελικά εξισορροπεί την βαρυτική κατάρρευση. Ο αστέρας έχει ισορροπήσει και όπως λέμε στην αστροφυσική, βρίσκεται στην κύρια ακολουθία. Εκεί θα μείνει για μερικά δισεκατομμύρια έτη δηλαδή το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του. Μερικοί μπορούν να μείνουν και τρισεκατομμύρια έτη.

3. Θάνατος

Όταν θα αρχίσει να εξαντλείται το υδρογόνο τότε ο αστέρας θα ξαναρχίσει να συστέλλεται αφού ο ρυθμός των πυρηνικών συντήξεων του υδρογόνου σε ήλιο θα μειωθεί με ανάλογη μείωση της δύναμης λόγω ακτινοβολίας. Η θερμοκρασία αρχίζει να αυξάνεται. Στο κέλυφος όμως που περιβάλλει τον πυρήνα, συνεχίζεται η καύση του υδρογόνου σε ήλιο με αποτέλεσμα το παραγόμενο ήλιο να συσσωρεύεται στον πυρήνα και να αυξάνει ακόμα περισσότερο την πυκνότητά του. Τα εξωτερικά στρώματα με την πίεση της διερχόμενης ακτινοβολίας διαστέλλονται. Ο αστέρας εξελίσσεται σε ένα ερυθρό γίγαντα. Ο πυρήνας που αποτελείται από ήλιο συνεχίζει να συστέλλεται και να αυξάνει την θερμοκρασία του. Μόλις φτάσει την κρίσιμη τιμή των 100 εκατομμυρίων βαθμών Κ αρχίζει η θερμοπυρηνική αντίδραση σύντηξης (καύσης) του ηλίου σε άνθρακα. Κατά τον μηχανισμό αυτόν (γνωστός και σαν αντίδραση τριπλή - α) τρεις πυρήνες ηλίου δίνουν ένα πυρήνα άνθρακα. Η θερμοπυρηνική αυτή αντίδραση δίνει τεράστια ποσά ενέργειας και είναι ταχύτατη, γι’ αυτό αναφέρεται και σαν φλας – ηλίου. Η ακτινοβολία που προέρχεται από αυτή την αντίδραση θα διαστέλλει τον αστέρα μέχρις του σημείου εξισορρόπησης με την βαρυτική κατάρρευση. Ο θάνατος του αστέρα θα αρχίσει όταν θα τελειώνει το ήλιο. Ένας αστέρας με μάζα μικρότερη από 1.4 της ηλιακής μετατρέπεται σε λευκό νάνο. Ο λευκός νάνος είναι το τελικό αποτέλεσμα της βαρυτικής κατάρρευσης. Η κατάρρευση σταματάει επειδή τα άτομα έχουν πλησιάσει τόσο πολύ μεταξύ τους που αναγκάζονται να διώξουν τα ηλεκτρόνιά τους (εκφυλισμένη ύλη). Ένας αστέρας με μάζα μεταξύ των 1.4 και 3.2 ηλιακών μαζών μετατρέπεται σε αστέρα νετρονίων. Τέλος ένας αστέρας με μάζα μεγαλύτερη από 3.2 της ηλιακής μετατρέπεται σε μελανή οπή (μαύρη τρύπα).

Τα τελευταία χρόνια πολλές πληροφορίες για μακρινούς αστέρες μας δίνει το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble.
.
Πηγή
.

Προτεινόμενη βιβλιογραφία / Links

• Εισαγωγή στην αστροφυσική - Γρηγ. Α. Αντωνακοπούλου
• Φυσική των αστέρων – Χρ. Γούδη
• The Cambridge Atlas of Astronomy
• www.physics4u.gr
• Σύντηξη στο Σύμπιαν: Η ενέργεια του Ήλιου.

***