نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه چهارم

اهداف جلسه:

• آشنایی با سرنوشت ستارگان
• آشنایی با مرحله غول سرخ
• آشنایی با سرنوشت خورشید
• آشنایی با کوتوله های سفید
• آشنایی با ابر نو اختر، تپ اختر  و ستارهای نوترونی

وسایل مورد نیاز:

• کامپیور مجهز به اینترنت
• ماکت منظومه شمسی

مقدمه

تا این بخش از پژوهش با مشخصات ظاهری ستارگان، چگونگی شکل گیری آنها و هم چنین انواع ستارگان که با توجه به تفاوتشان در اندازه، جرم و دما طبقه بندی شده اند، آشنا شدید. همان طور که در جلسات قبل آموختید، ستارگان هم مانند موجودات زنده متولد می‌شوند، زندگی می‌کنند و سپس می‌میرند. درباره تولد ستارگان و زندگی آنها صحبت کردیم اما آیا ستارگان واقعاً می میرند؟ آیا خورشید ما که تنها منبع نور و گرمای تمام سیارات منظومه شمسی است روزی به پایان عمر خود می رسد؟ پاسخ به این سئوالات موضوع درس این جلسه است.

4-1 سرگذشت یک ستاره

حال که با نمودار هرتسپرونگ-راسل آشنا شدید، می توان خطوط اصلی سرگذشت یک ستاره را ترسیم کرد. اگر زندگی یک ستاره را به شش بخش تقسیم کنیم.

1. تولد: در نمودارH-R در بخش تراکم موضعی ماده سحابی قرار می گیرد.

2. نوباوگی: که در نمودارH-R  در مرحله انقباض قرار می گیرد.

3. بلوغ: در نمودارH-R  در بخش رشته اصلی که بین 80 تا90 درصد ستارگان را شامل می‌‌‌شود، قرار می گیرد.

4. پختگی: در نمودارH-R  در بخش غول سرخ قرار می گیرد.

5. کهولت: در نمودارH-R  در بخش متغییر ها قرار می گیرد.

6. آخرین مراحل: در نمودارH-R  در بخش کوتوله های سفید، ستاره های نترونی و سیاه چاله ها قرار می گیرد.

با توجه به نمودارH-R  و این تقسیم بندی در می یابیم که اکثر ستارگان در نیمه عمر خود و در دوران بلوغ خود به سرمی برند. ولی با گذشت زمان این تعداد بالای ستاره که در رشته اصلی قرار دارند کم کم به دوران کهولت و در نهایت به پایان عمر خود می رسند. سرگذشت یک ستاره تا حد زیادی بستگی به جرم آن دارد و عمر احتمالی آن این چنین است. عمر احتمالی ستارگان از چند میلیون سال (در مورد ستارگان بسیار پر جرم) تا چندین بیلیون سال (برای ستارگان کم جرم) تغییر می کند. بنابراین با توجه به جرم متفاوت ستارگان آسمان، چرخه زندگی آنها از سه الگوی عمومی پیروی می کند و بر این اساس ستارگان به سه دسته تقسیم می شوند.

1. ستارگان خورشید مانند: ستارگان با جرم متوسط، با جرمی برابر خورشید تا 1.5 برابر جرم خورشید.
2. ستارگان بسیار بزرگ: ستارگان با جرم زیاد كه 1.5 تا 3 برابر جرم خورشید جرم دارند.
3. ستارگان غول آسا: ستارگان با جرم های بسیار بالا كه بیش از سه برابر جرم خورشید، جرم دارند.

4-2 غول سرخ

جالب است بدانید تمام ستارگانی که روزی بر روی رشته اصلی به وجود آمدند اعم از ستارگان خورشید مانند با جرم متوسط و یا ستارگان با جرم های بالا و بسیار بالا، همه در پایان عمر خود در مرحله اول به غول سرخ تبدیل می شوند.
هنگامی که ستاره ای تمام هیدروژن موجود در هسته ی خود را سوزاند و در هسته تنها هلیوم باقی ماند هنوز مقداری هیدروژن در اطراف هسته ی هلیومی وجود دارد که ستاره برای تأمین انرژی روی به آنها خواهد آورد بدین سبب هسته منقبض شده و واکنش های هسته ای در قشر سطحی هسته صورت می گیرد.

به دلیل انقباض هسته و تولید گرما و انرژی در لایه های سطحی این لایه ها از قید جاذبه ی هسته آزاذ شده و به دلیل گرمای تولید شده از واکنش های هسته ای متورم می شوند و باعث انبساط و بزرگ شدن ستاره می شوند و در نهایت ستاره به غول سرخ تبدیل می شود.

ستاره در مرحله ی غول سرخ به رنگ قرمز در می آید اما نسبت به گذشته سردتر می شود. دمای سطحی غول سرخ کم و در حدود 5000 درجه ی سانتی گراد است، در عین حال درخشندگی آن افزایش می یابد به این دلیل که برونداد انرژی اش افزایش می یابد زیرا ستاره با سرعت زیاد در حال مصرف سوخت خود است. در خشندگی آنها به حدی است که غول های سرخ و هم خانواده های آنان را جزء پرنور ترین ستارگان آسمان می دانند.
غول سرخ ده ها و صد ها بار بزرگ تر از حالت عادی ستاره است و با نوری به رنگ قرمز متمایل به نارنجی تابش می کند. ستاره در این مرحله عمری کوتاه و یک دهم عمر معمولی خود در دوران رشته ی اصلی دارد، زیرا هرچقدر میزان درخشندگی و جرم ستاره ای بیش تر باشد طول عمر و بودن آن ستاره بر روی حالت رشته ی اصلی کم تر و بر عکس ستارگان کم جرم تر طول عمر بیش تری بر روی حالت رشته ی اصلی دارند زیرا انرژی خود را با آهنگ کم تری مصرف می کنند.

ادامه مسیری که یک ستاره بعد از تبدیل شدن به غول سرخ می پیماید، بستگی به جرم و ترکیبات شیمیایی آن ستاره دارد .در نهایت غول های سرخ دو راه جدا گانه را پیش می گیرند، اگر ستاره جرمی برابر جرم خورشید تا 1/5 برابر خورشید داشت (گروه اول) تبدیل به کوتوله ی سفید می شود و اگر ستاره جرمی بیش از 1/5 برابر جرم خورشید را دارا بود به ابرنواختر، ستارگان نوترونی یا سیاهچاله تبدیل می شود.

4-3 سرنوشت خورشید ما

خورشید ما نیز سرانجام تبدیل به غول سرخ می شود و از این سرنوشت رهایی ندارد در حال حاضر 5 میلیارد سال از عمر خورشید می گذرد و حدود نیمی از عمر مفید خود را گذرانده است. خورشید ما 10 درصد عمر پایانی خود را به صورت غول سرخ سپری خواهد کرد .دمای سطح خورشید در هنگام تبدیل شدن به غول سرخ تا 3000 درجه ی کلوین کاهش می یابد اما شعاع آن به 100 برابر فعلی و درخشندگی اش به 1000 برابر فعلی افزایش می یابد. هنگامی که خورشید ما به غول سرخ تبدیل شود اگر کسی هنگام ظهر، آسمان را تماشا کند قطر آن حدود یک سوم کل آسمان را فراگرفته است.

خورشید كه در 5 میلیارد سال دیگر غول سرخ رنگى خواهد شد، ابتدا عطارد را كه در 60 میلیون كیلومترى آن است خواهد بلعید و تبدیل به بخار خواهد نمود. جو زهره كاملاً از بین رفته و در این حال سطح قابل رویت خورشید بسیار دور از مركز و در نتیجه اثر نیروى گرانش ضعیف و به ناچار پوسته خارجى به صورت طوفانى در فضا منتشر خواهد شد.

در 5 میلیارد سال آینده، زمین سرنوشت عجیبى خواهد داشت. دماى بسیار زیاد خورشیدى سرخ، به ظاهر سرد ولى بسیار گرم، ابتدا یخ هاى قطب هاى شمالى و جنوبى و یخچال ها را ذوب كرده و آب حاصل از آنها به صورت سیلاب هاى عظیمى تمام سطح كره زمین را در بر خواهد گرفت.

چندى بعد اقیانوس ها به جوش آمده و آب ها تبخیر شده و به صورت ابرهاى عظیمى سراسر جو زمین را می پوشانند. این ابرها براى مدت كوتاهى حجابى بین خورشید و زمین مى شوند، ولى این مرحله بسیار زودگذر است و بعد از مدتى تمام ابرها و آب هاى باقی مانده تبخیر و در فضاى لایتناهى پراكنده خواهند شد. به تدریج درجه حرارت بالا رفته، ابتدا سنگ ها و كوه ها ذوب و پوسته سطحى زمین تا مركز به صورت مذاب در خواهند آمد. با بالا رفتن دماى درونى خورشید بر اثر واكنش پیوست اتم هاى سنگین دیگر، مواد مذاب كره زمین و سیارات نزدیك به خورشید همه به صورت بخار در آمده و در فضا پخش خواهند شد .
 
خورشید ما در این مرحله متورم تر شده و تا مدار بین زمین و مریخ پیش می رود. خورشید در نهایت به یک کوتوله ی سفید تبدیل خواهد شد.

4-4 کوتوله سفید

همان طور که گفته شد نحوه پایان زندگی یك ستاره به جرمی كه با آن متولد شده است بستگی دارد. یك ستاره با جرم متوسط یا كم مانند خورشید ما (دارای جرم متوسط) در پایان عمر خود به کوتوله ای سفید تبدیل می شود. ستاره‌هایی که جرمشان تقریباً معادل جرم خورشید (1/2 جرم خورشید) و یا کم تر از آن است به احتمال زیاد همگی به کوتوله سفید تبدیل می‌شوند. این اصطلاح برای توصیف مرحله‌ای از تکامل ستاره‌ای به کار می‌رود که ستاره پس از تبدیل شدن به غول سرخ، در آن مرحله از انقباض باز می‌ایستد.

زمانی که خورشید ما تبدیل به یک غول سرخ شد، گرمایش در فضا پخش شده و دمای سراسری اش كاهش می یابد. اما دمای هسته غول سرخ، افزایش می یابد تا در نهایت به قدر كافی داغ شود. به حدی كه می تواند هلیوم ایجاد شده در نتیجه همجوشی هسته ای هیدروژن، را با هم تركیب كند. در نهایت، این گرما هلیوم را به كربن و سایر عناصر سنگین  تر تبدیل می کند.

خورشید تنها یك میلیارد سال را در وضعیت غول سرخ می ماند. در حالی كه نزدیك به ده میلیارد سال را مشغول سوزاندن هیدروژن بوده است. غول سرخ ما هنوز به مصرف هلیوم ادامه می دهد. اما زمانی كه هلیوم خورشید تمام می شود،‌ به قدر كافی داغ نیست كه بتواند كربنی را كه به وجود آورده است، بسوزاند. در نتیجه در برابر جاذبه هسته تسلیم می شود. زمانی كه هسته ستاره منقبض می شود، موجب آزادی انرژی شده كه در نتیجه ی آن پوشش باقی مانده ستاره منبسط می شود. حالا ستاره غولی بزرگ تر از قبل شده و شعاع خورشید ما بزرگ تر از مدار زمین می شود.
 
خورشید در این وضعیت خیلی دوام نخواهد آورد. به این ترتیب كه جرمش را از دست خواهد داد. این اتفاق ادامه می یابد تا در نهایت لایه های خارجی تر ستاره خواهند تركید. اما هسته ستاره سالم باقی می ماند و تبدیل به كوتوله سفید می شود. در مرحله کوتوله سفید، ماده ستاره‌ای فشرده شده به جسمی کم نور، به اندازه‌ای بسیار کوچک، به اندازه زمین، تبدیل می‌شود. جسمی به وزن خورشید و حجمی به اندازه زمین، این نشان می‌دهد کوتوله های سفید بسیار چگال و فشرده می شوند. چگالی آنها حدود یک میلیون برابر چگالی خورشید است. یعنی یک فنجان از کوتوله سفید بر روی زمین حدود 100 تن وزن دارد.

4-5 ابر نو اختر، تپ اختر  و ستارهای نوترونی

ابر نو اختر، تپ اختر  و ستارهای نوترونی این مراحل، مراحل پایانی عمر ستاره ای است با جرم بیش از سه برابر جرم خورشید. این ستارگان به سرعت تشکیل می شوند و طول عمر كوتاه تری دارند. یك ستاره با جرم بالا در طول حدود 10000 تا 100000 سال شكل می گیرد. این ستارگان پر جرم  به طریقی عجیب می میرند و به اجسامی با ویژگی باورنکردنی تبدیل می شوند. این ستارگان در پایان عمر خود منفجر شده که به آن انفجار ابر نو اختر گویند، و باقی مانده آنها به صورت اجسامی مانند تپ اختر، ستاره نوترونی و یا شاید به سیاهچاله تبدیل شوند.
هنگامی كه این ستارگان در آستانه مرگ قرار می گیرند، تبدیل به غول های بسیار بزرگی می شوند (بالاتر از ستارگان در رشته اصلی). این ستارگان ذخیره هیدروژنشان تمام شده و به مراحل پایانی عمر خود نزدیک می شوند. در این مرحله لایه های خارجی تر آنها گسترش پیدا کرده و هسته شان منقبض می شود. این ستارگان در نهایت منفجر خواهند شد و با از دست دادن جرم، یك سحابی سیاره ای یا ابر نواختر را تشکیل می دهند. در نهایت آنها به ستارگان نوترونی یا سیاهچاله ها تبدیل می شوند که این امر باز هم به دلیل از دست دادن جرم است.

شاید این سئوال برایتان پیش آمده که نواختر یا ابرنواختر چیست؟

گهگاه در آسمان شب دیده می شود که ستاره ای از تاریکی نسبی به روشنایی بسیار می رسد و سپس کم کم به تاریکی باز می گردد. چنین ستاره ای نواختر نامیده می شود. صفت "نو" درست به کار نمی رود زیرا ستاره نو نیست بلکه تنها درخشش ظاهری آن نو است.

همان طور که گفته شد این ستاره پوسته ی بیرونی خود را به فضا پرتاب می کند. این پوسته گرداگرد ستاره را می گیرد و باعث افزایش روشنایی آن می شود. پس از مدتی ماده ی پرتاب شده، که همچنان در حال انبساط است، به قدری رقیق می شود که دیگر نمی درخشد. افزایش درخشندگی در مواردی بیش از 10000 مرتبه بیش تر از نواختر های معمولی است که آن را ابر نواختر می نامند.

بعد از انفجار بزرگ ابرنواختر، هسته ستاره باقی می ماند که اگر این هسته به دورن خود برمبد در نتیجه فشار و دمای بسیار زیاد هسته ی ستاره، پروتون ها و الکترون ها با هم ترکیب می شوند و نوترون ها را بوجود می آورند. نام ستارگان نوترونی از همین امر ناشی می شود. این ستاره ها بسیار کوچک اند و شعاع هایی در حدود چند کیلومتر دارند، اما به طور غیر قابل تصوری چگال هستند، چگالی آنها به حدود 100 هزار میلیون کیلوگرم در سانتی متر مکعب می رسد. در این گونه ستاره ها نوترون ها مانند گاز عمل می کنند و فشاری را ایجاد می کنند که برای جلوگیری از فروریزش کامل کافی است. هم چنین این ستاره ها در حین دوران میدان مغناطیسی نیرومندی را به وجود می آورند.

در حال حاضر اعتقاد بر این است که تپ اختر ها، به احتمال زیاد همین ستاره های نترونی هستند و گمان می رود که تپ های آنها حاصل از لکه های داغ موجود در سطح آنها است که به سبب چرخش سریع این ستارگان، در نظر ما به صورت علامت هایی روشن و خاموش می شوند.
چند فیلم شبیه سازی شده از انفجار ابرنواختر را مشاهده نمایید.

فیلم ابرنواختر

تکلیف1:  با توجه به ماکت منظومه شمسی که در اختیار دارید و همچنین اطلاعات مربوط به این درس، مراحل پایان عمر خورشید را شبیه سازی کنید. فعالیت خود را همراه گزارش و عکس برای ما ارسال نمایید.
تکلیف2:  در مورد "تپ اخترها" و "ستاره های نوترونی" تحقیق کنید و نتایج را به همراه عکس برای ما ارسال نمایید.
محل بازدید/ اردو/ خرید:  برای آشنایی بیش تر با علم نجوم و پدیده های شگفت انگیز آن از مركز نجوم آستان مقدس حضرت عبدالعظیم بازدید نمایید. اطلاعات کامل این مرکز را می توانید در آدرس زیر مطالعه کنید.

ttp://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=142081

منابع مطالعه:  برای کسب اطلاع بیش تر در مورد مرگ ستارگان و ستاره های نوترونی به آدرس های اینترنتی زیر مراجعه نمایید.

http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=91141
http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=78972

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان
تهیه: الهام گارسچی - تنظیم: علی سرمدی

مطالب مرتبط

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه اول
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه دوم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه سوم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه چهارم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه پنجم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه ششم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه هفتم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه هشتم