غول های سرخ

می 4, 2019 اخترزیست

 

 

 

 

ستاره پس از سپری کردن بیشتر عمر خود در رشته ی اصلی مرحله ی نهایی از نور افشانی خود را بصورت غول سرخ آغاز می کند . اطلاق چنین عنوانی ناشی از این واقعیت است که ستاره در این مراحل پیشرفته بسیار سرد تر از موقعی است که در رشته ی اصلی بود ( و از این رو قرمز تر است)و همچنین اندازه ی آن بطور قابل ملاحظه ای بزرگتر از اندازه ای است که به هنگام پایداری در رشته ی اصلی داشت. گرچه راهی که ستاره در فاز غول سرخی می پیماید به جرم و ترکیبات شیمیایی آن بستگی دارد ولی الگوی عمومی چنین مسیری برای همه ی ستاره ها تقریبا یکسان است. بسیاری از ستارگان هم جرم با خورشید در کهکشان خودمان از نظر ترکیبات شیمیایی نیز به قدر کافی با خورشید متشابه هستند بطوری که همان فاز ها را به همان طریقی که در اینجا برای خورشید ترسیم می کنیم خواهند گذراند. برای ستاره ای که جرمی بسیار بیشتر از جرم خورشید دارد رویداد ها به طور قابل ملاحظه ای سریع رخ می دهند . در حالی که ستارگان کم جرم تر از خورشید فاز های مختلف مرحله ی غول سرخی را به آرامی سپری می کنند.

تکامل خورشید به یک غول سرخ

اکنون از عمر خورشید تقریبا 4.5 میلیارد سال می گذرد خورشید اندکی در بالای رشته ی اصلی قرار داردو حدود نیمی از عمر مفید خود را به عنوان یک ستاره ی رشته ی اصلی گذرانده است. عمر مورد نیاز برای خورشید در رشته ی اصلی حدود 10^10 سال است . در نیمه ی دوم این دوره نورانیت خورشید به آرامی و به طور نامحسوس افزایش می یابدو به موازات بیشتر شدن سن خورشید به تدریج به بالای رشته ی اصلی منتقل می شود . گر چه رصد نورانیت و دما نشان می دهد که خورشید اکنون در بالای رشته ی اصلی است اما تمام جنبه های دیگر تکامل آتی خورشید بر مبنای محاسبه ی بسیار پیچیده و جز به جز رویداد هایی است که در حال حاضر مشاهده نا پذیر است . با وجود این تایید این محاسبات به کمک مقایسه ی آنها با ستارگان دیگر در خوشه های ستار ه ای امکان پذیر است.

مغزی هلیومی :

خورشید در چهار میلیارد سال بعدی به نور افشانی ادامه خواهد داد و اندازه ی آن به تدریج بزرگتر خواهد شد. بیشتر شدن نورانیت افزایش اندازه ی ستاره را جبران می کند بطوری که دمای خورشید تقریبا معادل دمای فعلی باقی می ماند . در مدت حدود 4.5 میلیارد سال درخشندگی خورشید حدود 50 درصد و قطر آن حدود 25 درصد بزرگتر از مقادیر فعلی می شود . در همین زمان مرکز خورشید همه ی هیدروژن خود را مصرف می کند و تمام آن به توسط واکنش های گرما هسته ای به هلیوم تبدیل می شود آنچه در مرکز باقی می ماند یک مغزی هلیومی یعنی یک منطقه ی کوچک چگال است که محتوی هلیوم است.در این مرحله مغزی هلیومی به جز بسیار مهمی از خورشید تبدیل می شود و تاثیر آن بر روی تکامل خورشید سبب وقوع یک رشته رویداد های پی در پی می گردد.

میلیاردها سال بعد از این مرحله اندازه ی خورشید بزرگتر می شود و هنگامی که سن آن به 10.3 میلیارد سال رسید 2.5 بار بزرگتر از اندازه ی کنونی می شود . در طی این افزایش اندازه دما کاهش می یابد . زیرا درخشندگی تقریبا ثابت باقی می ماند و منبع جدید دیگر  برای تولید انرژی در کار نیست. محاسبه شده است که مغزی هلیومی در این مرحله حدود 40000 کیلومتر قطر دارد که تنها یک صدم اندازه ی خورشید در آن زمان است. مغزی هلیومی منقبض می شود و سر انجام به اندازه ای به مرتبه ی اندازه ی زمین می رسد. اما واقعیت مهمی که در مورد این مغزی میتوان گفت آن است که در این مرحله یک چهارم کل جرم خورشید را در بر می گیرد . هنگامی که قطر آن دو برابر قطر زمین است تقریبا یک میلیون بار پر جرم تر از زمین میشود . چگالی گاز در این مغزی حدود 50000 برابر چگالی آهن می شود یعنی وزن یک انگشتانه پر از ماده ی آن به حدود یک تن می رسد.

پوسته ی هیدروژن سوز :

گاز پیرامون مغزی هلیومی هنوز مقادیر بسیار زیادی هیدروژن دارد . هنگامی که خورشید در رشته ی اصلی است فاصله ی این مقدار هیدروژن از هسته ی خورشید چنان زیاد است که نمی تواند دمای کافی برای آغاز واکنش های همجوشی داشته باشد . به موازات انقباض هسته دمای بخش محیط بر آن به قدر کافی بالا می رود تا پوسته ی هیدروژن سوز شکل بگیرد. این پوسته به سرعت گسترش می یابد و با افزایش آهنگ سوزاندن هیدروژن درخشندگی خورشید نیز به سرعت افزایش می یابد سپس تنها در حدود 100 میلیون سال درخشندگی به 1000 برابر مقدار کنونی می رسد . در  این حال اندازه ی خورشید نیز بزرگتر می شود و قطر پوشش بیرونی اش 100 برابر قطر کنونی آن می شود در این حالت خورشید یک غول سرخ واقعی با دمای سطحی 3500 k است . از آنجا که یک چهارم جرم خورشید در مغزی هلیومی کوچک مرکزی متراکم می شود  ( کوچک در مقایسه با اندازه ی بسیار بزرگ خورشید در آن دوره ) بقیه ی ماده ی ان در یک کره ی هیدروژنی بسیار بزرگ و بی اندازه رقیق پخش می شود . چگالی این پوشش منبسط شده بسیار کم و معادل آن خواهد بود که در آزمایشگاه های فیزیک به عنوان بهترین خلا تلقی می شود . اگر در ان روزگار بتوانیم خورشید را ببینیم اندازه ی بزرگ و دمای پایینی که خواهد داشت سیمای عجیبی بدان خواهد داد : از زمین خورشید تحت زاویه ی تقریبا 60 درجه و برنگ قرمز تیره دیده خواهد شد. هنگام ظهر قطر آن حدود یک سوم کل آسمان را فرا خواهد گرفت .

سوزاندن هلیوم :

هر چه مغزی هلیومی به متراکم تر شدن ادامه دهد دما افزایش می یابد . سرانجام دمای مغزی هلیومی به مقدار معینی ( حدود 100 میلیارد k ) می رسد که برای ترکیب یافتن هسته های اتم های هلیوم و تشکیل شدن عنصر های سنگین تر کافی است .محتملترین واکنش ترکیب دو هسته ی هلیوم است تا یک هسته ی برلیوم شکل گیرد. اما برلیوم بوجود آمده شکل ناپایداری از برلیوم است و در زمانی بسیار کوتاه ( 10^-12 ثانیه ) به دو هسته ی هلیوم وا می پاشد اگر هسته ها ی هلیوم زیادی در محیط وجود داشته باشند ( که در مغزی هلیومی خورشید نیز چنین خواهد بود ) هسته ی دیگری از هلیوم می تواند پیش از واپاشی برلیوم با آن ترکیب شود و یک هسته ی پایدار کربن تولید کند. از این رو در طی این دو مرحله مغزی هلیومی ستاره ای مانند خورشید نهایتا هلیوم خود را به عنصر سنگین تری مانند کربن تبدیل می کند.در این فرایند ها مقادیر بسیار زیادی انرژی تولید می شود درست به همان طریقی که همجوشی هیدروژن و تشکیل هلیوم انرژی آزاد می کند.

از روی محاسباتی که در مورد ساختار آینده ی خورشید به عمل آمده یافته شده است که سوزاندن هلیوم به تدریج روی نمی دهد بلکه در طی یک رویداد انفجاری که درخشش هلیومی نام دارد واقع می شود. این انفجار فقط برای ستارگانی که تقریبا هم جرم یا کوچک تر از خورشید هستند پیش می آید . این امر در نتیجه ی این واقعیت است که مغزی چنین ستارگانی در اثر گذشت زمان به چنان چگالی بالایی می رسد و دما برای سوزاندن هلیوم چنان بالا می رود که مغزی نه به صورت گاز بلکه همانند یک جسم صلب جامد عمل می کند. الکترون ها ( و هسته های هلیوم ) به حدی تنگ در کنار هم قرار می گیرند که محیط جامد تقریبا غیر قابل تراکمی را تشکیل می دهند . از آنجا که این محیط بیشتر به کره ای از فلز جامد می ماند تا کره ای از گاز در نتیجه فرایند سوزاندن هلیوم سبب می شود که دمای مغزی سریعا صعود کند اما اندازه ی آن تنها افزایش اندکی از خود نشان دهداز روی آزمایش هایی که در آزمایشگاه انجام می دهیم نیز به این واقعیت می رسیم هنگامی که مقداری گاز را گرم می کنیم بطور قابل ملاحظه ای منبسط می شود اما با گرم کردن یک جسم جامد انبساط بسیار اندکی در آن مشاهده می کنیم. از این رو به همین طریق مغزی خورشید انبساط زیادی نخواهد داشت ولی دما به مقادیر بسیار زیادی صعود خواهد کرد دمای بالاتر آهنگ تبدیل هلیوم به کربن را افزایش می دهد  و این به نوبه ی خود سبب افزایش بیشتر دما می شود .مغزی ستاره آنقدر داغ می شود که همانند یک بمب کنترل نشده همجوشی هسته ای عمل می کند برای خورشید تنها حدود یک روز طول می کشد تا از مرحله ی آغاز سوزاندن هلیوم به انفجار مغزی هلیومی برسد.

فاز دوم (( رشته ی اصلی ))

مغزی هلیومی خورشید هنگامی که حدود 6 میلیارد سال بعد از این منفجر می شود اندازه ی کوچکی خواهد داشت و اثرات انفجار آن بلافاصله در سطح خورشید دیده نخواهد شد  اما درون خورشید به سرعت و به طور قابل ملاحظه ای تغییر خواهد کرد . در ظی رشد انفجاری مغزی در درون خورشید پوسته ی هیدروژنی محیط بر مغزی که تا پیش از انفجار منبع گرمایی خورشید بود نا پدید خواهد شد دمای مغزی به دلیل افزایش یافتن اندازه ی آن به سرعت افت خواهد کرد و به همین طریق شدت پوسته ی هیدروژن سوز نیز کاهش خواهد یافت. از این رو درخشش هلیومی به جای اینکه سبب فوران نور خیره کننده ای شود موجب آن خواهد شد که نورانیت خورشید کاهش یابد.

مواد درون خورشید به مقدار معینی با هم مخلوط خواهند شد . به موازات کاهش شعاع خورشید نورانیت نیز کاهش خواهد یافت و افزایش دما محسوس خواهد بود . سپس در حدود چند میلیون سال بعد خورشید در نمودار رنگ -قدر در راستای رشته ی اصلی حرکت خواهد کرد . اما بی آنکه وارد رشته شود در نزدیکی آن خواهد بود. با کمک گرفتن پوشش هیدروژن سوز محیط بر مغزی هلیومی از یک ناحیه ی هلیوم سوز در مرکز ستاره خورشید به مدت تقریبا طولانی در این مرحله ی شبه رشته ی اصلی باقی خواهد ماند . از این رو انرژی خورشید هم از آزاد سازی انرژی به توسط بخش کوچکی در مغزی ستاره ( که در آن هلیوم به کربن تبدیل می شود )و هم از پوسته ی دور دستی که هلیوم از هیدروژن شکل می گیرد تامین خواهد شد.

محاسبه شده است که خورشید چندین میلیون سال در این فاز ( رشته ی اصلی دوم ) باقی خواهد ماند. در پایان این دوره به سبب تمام شدن سوخت مغزی آن دوباره منقبض خواهد شد و خورشید برای بار دوم با افزایش در نورانیت افزایش در شعاع و کاهش در دما مواجه خواهد شدتا دوباره به یک غول سرخ بسیار بزرگ تبدیل شود . تاکنون جزییات فاز غول سرخی دوم در خورشید ناشناخته مانده است زیرا تحت چنیین شرایطی پیچیدگی های عظیمی در ساختار ستاره پدید می آید . محاسبات تقریبی انجام گرفته نشانگر آن است که متعاقب فاز رشته ی اصلی دوم خورشید به سرعت در فاز غول سرخی پیش خواهد رفت و سپس بی درنگ خواهد رمبید ( در هم فرو خواهد ریخت ) تا به یک کوتوله ی سفید تبدیل شود.

منبع: ساختار ستارگان و کهکشان ها

مرتضی نادری فرد

هی بسوزد هی بسوزد  آن نگار

پروانه ای شوی در خور  پروردگار

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *