درس ششم-ستارگان

نویسنده: احسان ابراهیمیان

مقدمه:
یکی از اولین سوالات بشر در برابر آسمان این بود که ستاره ها چیستند. پاسخ درست به این پرسش دست کم تا قبل از اختراع تلسکوپ امکان پذیر نبود. یک نمونه از پاسخها این بود که ستارگان در واقع سوراخ هایی در زمینه ی قیرگون آسمان هستند که بر اساس اندازه ی سوراخ، نور از پشت روشن آنها به ما می رسد! با اختراع تلسکوپ دانشمندان متوجه شدند، نوار نورانی و مه آلودی که در آسمان مشاهده می کردند و به آن راه شیری می گفتند متشکل از تعداد بسیار زیادی ستاره است.

نوار راه شیری
http://startswithabang.com/wp-conten...s/MILKYWAY.JPG

با گذشت زمان دانشمندان متوجه شدند ستارگان در واقع هر کدام گویی آتشین و سوزان از گاز داغ هستند، درست مثل خورشید ، اما به خاطر فاصله ی زیادشان در مقایسه با خورشید این طور کم نور و کوچک دیده می شوند. به مرور با افزایش اطلاعات راجع به ستاره ها دانشی شکل گرفت به اسم اخترفیزیک (به معنی طبیعت ستاره ها) که به بررسی ساختار ستاره ها، تولد ، زندگی و مرگ ستاره و دانشهای وابسته (مثل شناخت مکانهایی که ستاره ها به وجود می آیند) می پردازد. اخترفیزیک یکی از زیباترین و جذاب ترین شاخه های فیزیک و نجوم است. این دانش با شاخه های ترمودینامیک، مکانیک آماری، فیزیک اتمی و شیمی ارتباطی تنگاتنگ دارد.

در این درسنامه قرار است راجع به ستارگان اطلاعاتی کسب کنیم.

ستاره چیست؟

همه ی ستارگانی که در آسمان مشاهده می کنیم گویهایی بسیار بزرگ از گاز هیدروژن بسیار داغ هستند که به علت همین دمای بالا تابش می کنند. چیزی که این گویهای گاز را فشرده نگه می دارد تا در فضا پخش نشوند، گرانش است. یعنی همه ی گازهای ستاره به هم نیروی گرانشی وارد می کنند و همدیگر را جذب می کنند و این ستاره را فشرده نگه می دارد.

شاید فکر کنید انرژی تابش شده توسط ستاره ها به خاطر فرایندی شیمیایی مثل سوختن ذغال یا در بهترین حالت گازی شبیه به گاز شهری به وجود می آید! اما واقعیت این است که این نوع فرایندها (معروف به فرایند های اکسید شدن) هرگز انرژی لازم برای درخشش این چنینی را ندارند.

اکنون به کمک اخترفیزیک می دانیم خورشید یک ستاره ی نسبتا کم جرم و کم انرژی است با این حال کل انرژیی که خورشید در یک ثانیه تابش می کند به قدری عظیم است هیچ فرایندی شبیه سوختن گاز شهری توانایی تولید این انرژی آن هم در چنین مقیاس وسیع و چنین زمان طولانی را ندارد. در واقع انرژی ستاره ها در کوره های اتمی که در مرکزشان قرار دارد، تولید می شود و نهایتا به سطح ستاره رسیده و تابش می شود. این کوره ها با فرایندی مشابه تولید انرژی در بمب های هیدروژنی کار می کنند. در واقع مرکز ستاره ها اکثرا بمبهای هیدروژنی در حال انفجاری هستند که به خاطر وزن لایه های بیرونی، این انفجارها کنترل می شوند و پیوسته ادامه می یابند تا انرژی ستاره را تامین کنند. بعدا به تفضیل راجع به ساختار ستاره بحث خواهیم کرد

تصویری خیالی از یک ستاره ی واقعی (رجل الجبار)
http://www.novacelestia.com/images/b...tems_rigel.jpg

ستاره ها از کجا به وجود می آیند؟

در فضای بیکران، ابرهای بسیار بزرگی از گاز هیدروژن و هلیوم وجود دارند که هنگام تشکیل کیهان شکل گرفتند. به این ابرها در اصطلاح اخترفیزیکی سحابی می گویند. این ابرها کم کم بر اثر گرانش خودشان شروع به منقبض شدن می کنند. این انقباض دقیقا شبیه سقوط ابر درون خودش است. در اثر این انقباض کم کم دمای قسمت های درونی ابر بالا می رود. بالا رفتن دما و افزایش غلظت ابر همزمان با هم رخ می دهند بنا بر این منطقه ی بسیار گرم درونی توسط هاله ای از گاز احاطه می شود.

سحابی عقاب که یکی از معروفترین زایش گاه های ستاره ای است:
http://nssdc.gsfc.nasa.gov/image/ast..._m16_close.jpg

دمای ابر در مرکز خودش آن قدر بالا می رود تا بالاخره به حدی می رسد که کوره ی اتمی مرکز ستاره شروع به فعالیت می کند و انرژی هنگفتی را آزاد می سازد. شروع فعالیت این کوره و انرژیی که در مرکز ستاره آزاد می کند مقابل گرانشی که گازهای ستاره را به سمت مرکز ستاره می کشد، می ایستد و جلوی سقوط این گازها را می گیرد. درست مثل کسی که ، جلوی سقوط یک توپ سبک پینگ پونگ را با فوت کردن از پایین می گیرد، کوره ی مرکز ستاره هم جلوی سقوط گازهای ستاره را به سمت مرکز ستاره می گیرد.

تقابل گرانش لایه ها با فشاری که از مرکز تولید می شود:
http://www.daviddarling.info/images/...quilibrium.jpg

در اصطلاح تخصصی به این حالت می گویند تعادل؛ یعنی مقدار نیروی گرانشی (وزن لایه ها) با نیرویی که از پایین لایه ها توسط کوره ی مرکزی به آنها وارد می شود برابری می کند و این دو با هم در تعادل هستند. اکنون که ستاره به این مرحله رسیده است، می توان آن را در قید حیات نامید! یعنی ستاره اکنون با شروع فرایند تولید انرژی در مرکزش زنده شده و سالهای سال در این حالت باقی خواهد ماند.

این انرژی هنگفت، از کجا؟

می توان حساب کرد که اگر خورشید فقط به خاطر گرمای درونی گاز هایش با همین نرخ کنونی انرژی تابش کند چند میلیون سال بیشتر نمی تواند انرژی تولید کند. از طرفی ما به کمک زمین شناسی می دانیم عمر کره ی زمین (و بالطبع خورشید) بیش از 4 میلیارد سال است و باز هم از زمین شناسی می توان دریافت که خورشید در 4 میلیارد سال گذشته تقریبا با همین نرخ تابش می کرده. این یعنی ساز و کار تابش خورشید باید چیزی بسیار قوی و پایدارتر باشد. از سوی دیگر می دانیم فرایندهای شیمیایی توانایی تولید چنین انرژیی را ندارند و همچنین باقی ستاره ها نرخ های تابشی تا حد چند میلیون برابر خورشید هم دارند!! پس این سوال منطقی است که: کوره ی مرکزی در قلب ستاره ها، چگونه کار می کند و این انرژی فوقالعاده زیاد را از کجا تامین می کند؟

در مرکز ستاره ها دما و فشار بسیار بسیار زیاد است. چگالی هم همین طور. در این دما و فشار بسیار زیاد، ماده حالت عادی خودش را ندارد: در حالت عادی ماده از اتمهایی تشکیل شده که یک هسته ی بسیار سنگین با بار الکتریکی مثبت دارند و الکترونهایی بسیار سبک با بار الکتریکی منفی دارند که دور این هسته های مثبت در حال گردش اند. وزن اتمها را به خاطر هسته هاست چون خیلی سنگین هستند.

یک اتم کربن
http://www.universetoday.com/wp-cont...2/c-atom_e.gif

اما در این دما و فشار بالا الکترونها از هسته ها جدا می شوند و سوپی از هسته ها و الکترون ها شکل می گیرید. این دما و فشار بالا، یک چگالی بسیار زیاد را هم به دنبال دارد و این چگالی بالا باعث می شود که هسته های اتمها بتوانند به راحتی به هم برخورد کنند دمای بالا هم انرژی لازم برای برخورد هسته ها را تامین می کند. اگر هسته های اتمها بتوانند به هم برخورد کنند با هم ترکیب می شوند و هسته ای سنگین تر را شکل می دهند. در این فرایند خاص که تولید انرژی در مرکز ستاره را بر عهده دارد، 4 هسته ی هیدروژن با هم ترکیب می شوند و یک هسته ی سنگین هلیوم را تشکیل می دهند. اما انرژی از کجا می آید؟ وزن هلیوم مقدار بسیار کمی از وزن مجموع 4 هیدروژن سبکتر است. چه اتفاقی بر سر این مقدار کم جرم می افتد؟ گم می شود؟ این با قانون پایستگی جرم متناقض است! پس چه بلایی بر سر این جرم گم شده آمده است؟ این جاست که رابطه ی معروف هم ارزی جرم و انرژی انیشتین وارد می شود! این رابطه بیان می کند که جرم در واقع با انرژی هم ارز است و می توانیم جرم را به انرژی و انرژی را به جرم تبدیل کنیم.

این رابطه که برابری جرم و انرژی را نشان می دهد
شاید معروف ترین و خیابانی ترین رابطه ی تمام فیزیک باشد
http://upload.wikimedia.org/wikipedi...72/E%3Dmc2.png

البته اگر بتوانیم جرم را به انرژی تبدیل کنیم انرژی بسیار هنگفتی تولید می شود به طوری که اگر بتوانیم 1 گرم جرم را به انرژی تبدیل کنیم میزان انرژی تولید شده می تواند 80 میلیون لامپ 100 وات را به مدت 13 روز، به طور مداوم و 24 ساعته روشن نگه دارد! در واقع جرم گم شده در واکنش مرکز خورشید به انرژی تبدیل می شود. درون خورشید در هر ثانیه 4 میلیون تن ماده تبدیل به انرژی می شود که این مقدار انرژی بسیار عظیم است. عظیمتر از کل انرژیی که بشر در طول عمر خود تولید کرده است!

نرخ تولید انرژی توسط این فرایند طوری است که با افزایش فشار و دمای مرکز، میزان تولید انرژی به شدت زیاد می شود. چون میزان برخوردها بالا می رود!

ستاره ها، در طرح ها، اندازه ها و رنگ های مختلف!

جرم

ستاره ها اندازه ها و جرم های متفاوتی دارد. خورشید یک ستاره ی متوسط است. در کیهان ستاره هایی کشف شده که بیش از 250 برابر جرم خورشید جرم دارند. علی الظاهر جرم ستاره ها هر چه بیشتر باشد یعنی هیدروژن بیشتری برای سوزاندن دارد و عمرش بیشتر می شود. تخمین می زنند خورشید با همین نرخ تابش انرژی، می تواند 10 میلیارد سال بسوزد. به این منوال می توان تصور کرد که ستاره ای با جرم مثلا 10 برابر خورشید، عمری 10 برابر خورشید هم داشته باشد یعنی 100 میلیارد سال!

اما واقعیت این است که با افزایش جرم، وزنی که لایه های ستاره تحمل می کنند بیشتر می شود و فشار و دمای مرکز خیلی بالا می و این باعث می شود سرعت مصرف سوخت هم به شدت بالا برود. این افزایش مصرف سوخت به قدری شدید است که زیادی سوخت را جبران می کند و حتی عمر ستاره کوتاه تر می شود! به طوری که ستاره ای با جرم 4 برابر خورشید، 32 برابر عمر کوتاهتری خواهد داشت!!! یعنی حدود 300 میلیون سال! پر جرمترین ستاره ها ، عمری در حدود چند ده هزار سال دارند که در مقیاس های ستاره شناسی بسیار بسیار کوتاه است.

البته ستاره ها حد پایین جرم هم دارند! اگر جرم توده ی گازی که قرار است ستاره شود از حدی پایین تر باشد نمی تواند واکنش کوره ی مرکز ستاره را به راه بی اندازند چون فشار و دما در مرکز به حد لازم نمی رسد و بنابر این هرگز روشن نمی شوند و فقط مدت کوتاهی بر اثر گرمایی که در اثر انقباض به دست آورده روشن می شود سپس به صورت یک غول گازی شبیه سیارات گازی سرد و خاموش تا سالهای سال باقی می ماند! این حد پایین چیزی حدود یک دهم جرم خورشید است.



اندازه

اندازه ی ستاره ها هم با هم متفاوت است. ستاره ها به دلایلی در پایان عمر خود شروع به بزرگ شدن می کنند و این اتفاق می تواند ستاره را بسیار بزرگ و متورم کند. بزرگترین ستاره ها اندازه ای در حدود 1400 برابر خورشید دارند! این معادل حجمی بیش از یک میلیارد برابر خورشید است! برای مقایسه اگر چنین ستاره ای در مرکز منظومه ی شمسی قرارداشت سطح آن به مدار زحل می رسید!!!

مقایسه ی اندازه ی بزرگترین ستاره ی کشف شده با اندازه ی خورشید!
http://www.optcorp.com/images2/artic...ajoris.svg.png

اندازه ی کوچکترین ستاره ها حدود یک دهم شعاع خورشید است و عملا به سختی دیده می شوند.


درخشندگی

ستاره ها بازه ی بسیار بزرگی از درخشندگی را دارا هستند! کم نور ترین ستاره ها معمولا سرخ رنگ هستند و علی رغم فراوانی شان به سختی در کیهان رصد می شوند زیرا کمتر از یک دهم خورشید درخشندگی دارند. اما درخشانترین ستاره ها بیش از 8 میلیون برابر خورشید درخشان هستند! چنین درخشندگی هایی بسیار نفس گیر است! 8 میلیون خورشید یک جا!


رنگ و دما

بر اساس این که ستاره ها چه جرمی دارند و چه قدر انرژی تولید می کنند، سطحشان دمایی دارد. می توان ستاره ها را بر اساس این دما مرتب کرد. البته دما، رنگ ستاره ها را هم مشخص می کند. اگر شما یک آهن را داغ کنید کم کم به رنگ سرخ در می آید و بعد کم کم زرد می شود و سپس سفید رنگ خواهد شد و در تمام این مدت با افزایش دما درخشانتر می شود! اگر افزایش دما را ادامه دهید کم کم به رنگ آبی می رسید و بعد از آن دیگر قطعه کاملا آبی روشن به نظر می رسد البته اگر تا آن ساعت بخار نشده باشد!

رنگ و دما در ستارگان
http://upload.wikimedia.org/wikipedi...s-vertical.svg

در اخترفیزیک بر اساس دما ستاره ها را این گونه دسته بندی می کنند:

بر اساس دما، از بیشترین به کمترین در هفت رده ی طیفی: O B A F G K M . هر کدام از این رده ها به 10 زیر رده تقسیم می شوند برای مثال رده ی B که جزو رده های داغ است از B0 (داغترین ستاره های B ) و تا B9 ادامه پیدا می کند.

رده ی O دمایی بیش از 33000 درجه ی کلوین دارد و به رنگ آبی دیده می شود، رده ی B بین 10000 تا 33000 و به رنگ آبی روشن، رده ی A بین 7500 تا 10000 و به رنگ آبی-سفید، رده ی F بین 6000 تا 7500 و به رنگ سفید، رده ی G بین 5200 تا 6000 و به رنگ زرد، رده ی K بین 3700 تا 5200 و به رنگ نارنجی و رده ی M 3700 تا 2000 و به رنگ سرخ دیده می شوند.

خورشید ما یک ستاره ی G2 است.

راهی مفید تر برای دسته بندی: نمودار رنگ-درخشندگی

دیدیم که ستاره ها اندازه و درخشندگی و رنگهای مختلفی دارند. یک راه بسیار مفید برای دسته بندی ستاره ها استفاده از ابزاری ریاضی است به اسم نمودار رنگ-درخشندگی؛ این نمودار خیلی پیچیده نیست، یک نمودار دو محوره در نظر بگیرید. با محور افقی رنگ ستاره را مشخص می کنیم و با محور عمودی درخشندگی ستاره را علامت می زنیم. به این صورت هر ستاره در این نمودار با یک نقطه مشخص می شود که فاصله روی محور افقی را رنگ ستاره تعیین می کند و مکان روی محور عمودی را درخشندگی ستاره. تصویر زیر یک نمونه نمودار رنگ-درخشندگی است.

http://photospheres.us/HR_diagram.gif

رنگ نمودار از چپ به راست قرمز تر می شود و از پایین به بالا درخشانتر می شود. هر چه ستاره درخشانتر باشد مکانش بالاتر است و هر چه سرد تر باشد، بیشتر به سمت راست (قرمز) متمایل می شود.

بررسی مکان ستاره ها روی این نمودار در نوع خود جالب است. برای مقایسه نمودار قد-وزن برای انسانها را در نظر بگیرید. اگر محور افقی قد باشد و محور عمودی وزن باشد می توانیم به هر انسان بر اساس قد و وزنش یک نقطه روی این نمودار نسبت بدهیم. اگر مکان تعداد بسیار زیادی انسان را روی این نمودار علامت بزنیم خواهیم دید که بیشتر انسان ها روی یک خط قرار می گیرند. این خط نشانگر یک مکان نرمال روی این نمودار است یعنی کسی که مکانش روی این خط باشد قد و وزنش نسبت به هم طبیعی است. اگر کسی مکانش روی این نمودار بالاتر از خط باشد به این معنی است که وزنش نسبت به قدش بالاتر است و این یعنی شخص چاق است! بر عکس اگر شخصی زیر این خط باشد یعنی وزنش نسبت به قدش کوتاه است این یعنی شخص لاغر است.

برای ستاره ها هم چنین حالتی وجود دارد. وقتی تعداد بسیار زیادی ستاره را روی این نمودار علامت بزنیم خواهیم دید که درصد بسیار زیادی از ستاره ها روی یک منحنی در نمودار قرار می گیرند و همچنین تجمع هایی هم در برخی مکانها دیده می شود. این منحنی به این دلیل شلوغ است که ستاره ها در طول حیات خود زمانی که به صورت پایدار انرژی تولید می کنند، مکانشان روی این منحنی قرار می گیرد. به این منحنی رشته ی اصلی می گویند. وقتی می گوییم یک ستاره رشته ی اصلی است یعنی در برهه ای از حیات خود قرار دارد که به صورت پایدار با سوزاندن هیدروژن انرژی تولید می کند و در تعادل است. خورشید یک ستاره ی رشته ی اصلی است.

وقتی ستاره ای از رشته ی اصلی خارج می شود یعنی از حالت پایدار خارج شده و وارد مراحل پایانی عمر خود شده است. ستاره در مراحل اولیه به سمت بالا و راست نمودار میرود یعنی سردتر و درخشانتر می شود. از آنجایی که جسم سرد از جسم گرم هم اندازه ی خود همیشه کمنور تر است (این یک قانون فیزیکی است!) پس افزایش درخشندگی همراه کاهش دما به معنی افزایش اندازه ی ستاره است به طوری که کاهش دما را جبران می کند. در این حالت ستاره ها اندازه ی های بسیار بزرگی کسب می کنند و بر حسب اندازه به آنها غول، ابر غول و فراغول می گویند. ستاره ای که گفته شد بیش از 1400 برابر خورشید است در واقع یک فراغول است!

برعکس این هم وجود دارد یعنی ستاره هایی که نسبت به دمایشان کوچکتر از حالت عادی هستند، به این اجرام کوتوله ی سفید می گویند. البته این اجرام در واقع ستاره نیستند و فقط بقایای ستاره های بسیار پیری هستند که عمرشان تمام شده با این حال یادآوری شان به خاطر تکمیل مفاهیم نمودار رنگ-درخشندگی مفید است.

یک نمودار رنگ-درخشندگی به همراه رشته ی اصلی و بقیه ی نواحی
http://www.universetoday.com/wp-cont.../hrdiagram.jpg

به نمودار رنگ-درخشندگی، نمودار هرتس اسپرانگ-راسل، یا نمودار H-R و نمودار رنگ-قدر هم می گویند.

راه انرژی، از مرکز تا سطح

زمانی که ستاره در رشته ی اصلی است، تمامی انرژیی که در مرکز تولید می شود باید از سطح ستاره تابش شود. اگر این اتفاق نه افتد به این معنی است که انرژی از راه مرکز تا سطح در جایی در حال تلف شدن است. در فیزیک، قانون پایستگی انرژی بسیار مهم است و هرگز نقض این قانون پذیرفته نیست. فرض کنید 90 درصد انرژیی تولیدی ستاره در هر ثانیه به سطح برسد. اما چه بلایی سر 10 درصد انرژی می آید؟ علی الاصول باید در راه مرکز تا سطح به نحوی ذخیره شود، تنها راه ذخیره شدن این انرژی گرما است و این یعنی ستاره در هر ثانیه 10 درصد انرژی تابشی اش را به صورت گرما ذخیره می کند. این انرژی به قدری زیاد است که در صورت رخ دادن این اتفاق ظرف مدت بسیار کوتاهی تعادل ستاره را به هم می زند! نتیجه گیری منطقی این است که ستاره همه ی انرژی تولیدی در مرکز را تابش می کند و هیچ انرژیی ذخیره نمی شود.

اما انرژی از مرکز تا سطح چه راهی را طی می کند؟ یعنی چگونه انرژی تولیدی از مرکز به سطح می رسد؟ گفتیم ستاره ها از گاز تشکیل شده اند. درگازها کلا سه راه برای انتقال انرژی وجود دارد: تابش، همرفت و رسانش. رسانش فرایندی آشناست.

اگر قسمتی از آهن داغ شود قسمتهای دیگر آهن هم سریعا گرم می شود، اساس کار این است که ذرات ماده با گرم شدن شروع به جنب و جوش می کنند و با حرکت به اتمهای اطراف برخورد می کنند و اتمهای اطراف گرم می شود و حرکت می کنند و همین طور گرما در سراسر ماده پخش می شود. اما در گازها این فرایند خیلی کند عمل می کند علتش این است که در گازها اتمها از هم خیلی دور هستند و به سختی به هم برخورد می کنند. بنا بر این در ستاره ها با فرایندی غیر از رسانش انرژی به سطح می رسد چون رسانش فرایند مفیدی نیست.

اما فرایند دیگر همرفت است؛ در زمستانها وقتی بخاری در قسمتی از اتاق روشن می شود، بخاری هوای اطراف خود را گرم می کند، هوای گرم سبکتر است و به بالا می رود و با رفتن گاز گرم از کنار بخاری گاز سرد اطراف جای آن را می گیرد و بعد از گرم شدن گاز جدید دوباره بالا می رود و این فرایند همین طور تکرار می شود تا جایی که کل هوای اتاق گرم شود.

http://www.physics.arizona.edu/~thew...onvection1.bmp

به این فرایند همرفت می گویند. اتفاقا این فرایند بسیار سریع و کارامد است. این فرایند بخشی از انتقال انرژی را در ستارگان نسبتا سرد تر بر عهده دارد. این فرایند در ستارگان نسبتا داغ کارا نیست. ستارگانی که دمای سطح آنها نزدیک به 10000 درجه و بالاتر باشد عملا همرفت در آنها اتفاق نمی افتد. در این ستارگان فرایند دیگری برای انتقال انرژی وارد عمل می شود.

تابش یکی از کارامد ترین و سریعترین فرایند های انتقال انرژی است. حتما دستتان را نزدیک یک فر روشن گرفته و گرمایش را احساس کرده اید! هر جسمی که به اندازه ی کافی داغ باشد، تابش خواهد کرد. نور یک موج الکترومغناطیس است، امواج الکترومغناطیس می توانند با خود انرژی حمل کنند و این توانایی امواج در حمل انرژی، تابش را به یکی از راه های انتقال انرژی تبدیل کرده است. ما فقط بخش بسیار کوچکی از امواج الکترومغناطیسی را توسط چشممان آشکار می کنیم با این حال اگر این تابش به اندازه ی کافی انرژی داشته باشد می تواند دست ما را گرم کند.

در ستاره ها انرژی تولید شده در مرکز از جنس تابش است. تابش تولیده شده قبل از این که به سطح برسد بارها و بارها به اتمهای گاز برخورد کرده و دوباره تابش می شود تا به سطح برسد. این جذب و تابش پیاپی باعث می شود نور آزاد شده در مرکز ستاره سالها در راه رسیدن به سطح باشد (برای خورشید حدودا ده میلیون سال) درست است که این به نظر کند می رسد اما در واقع بسیار مناسب است!

خروج یک فوتون از مرکز تا سطح
http://ds9.ssl.berkeley.edu/solarwee...s/randwalk.gif

خورشید هم با همرفت انرژی حمل می کند و هم با تابش
http://chandra.harvard.edu/photo/200..._label_med.jpg

ستاره ها هم می میرند؟

منبع انرژی ستاره ها از سوزاندن هیدروژن در مرکزشان بود. محصول این فرایند هلیم است. اگر هیدروژن تمام شود، یعنی ستاره تمام هیدروژن مرکزش را به هلیم تبدیل کند بعد از آن چه اتفاقی می افتد؟ از این جا به بعد ساختار جدیدی، تولید انرژی ستاره را بر عهده می گیرد. ستاره اکنون یک هسته ی هلیومی دارد که داغ است اما نمی سوزد، گرمای این هسته به قدری است که هیدروژن اطراف هسته که هنوز نسوخته است را وادار به شروع واکنش تولید انرژی می کند.

وقتی اطراف هسته شروع به سوختن می کند پوسته ی ستاره منبسط می شود و ستاره به شدت متورم و سرد می شود. ستاره ها در این حالت تبدیل به غول می شود. کم کم دمای هسته آن قدر بالا می رود که هلیوم هم وارد واکنش سوختن می شود و البته نتیجه ی این واکنش عنصر کربن است. از این جا به بعد راه تا مرگ ستاره برای ستاره های سبک و سنگین جدا می شود.

پوسته ی هیدروژن سوز و هلیوم سوز اطراف هسته ی کربنی
http://physics.uoregon.edu/~jimbrau/...20/FG20_07.jpg

(ادامه در پست آینده)

مرگ ستاره ها

ستارگان سبک

نهایتا بعد از تبدیل هسته ی ستاره به کربن، لایه های بیرونی منبسط می شود. بعد از انبساط لایه ها ستاره شروع به نوسان می کند و با هر تپش، کمی از لایه های ستاره به بیرون پرتاب می شود. این روند تا جایی ادامه می یابد که ستاره تمامی گازهای اطراف هسته را به بیرون پرتاب می کند و فقط هسته ای بسیار فشرده، داغ و سنگین از جنس کربن باقی می ماند. به این هسته ی باقی مانده کوتوله ی سفید می گویند. دمای این هسته در ابتدا به شدت بالاست و به خاطر اندازه ی نسبتا کوچک این هسته (به اندازه ی زمین) و جرم نسبتا زیادش (حدود جرم خورشید)، گرانش زیادی در سطح این جرم احساس می شود و البته چگالی کوتوله ی سفید هم به شدت بالاست، برای مقایسه یک سانتی متر مکعب از کوتوله ی سفید چندین تن وزن دارد.

به مرور کوتوله ی سفید دمای خود را از دست می دهد و سرد و سیاه می شود. این نهایت عمر یک ستاره ی سبک است. جرم فشرده و سنگین باقی مانده که به کوتوله ی سیاه معروف است، در فضا سرگردان باقی می ماند. گازهایی که ستاره به اطراف پراکنده کرده برای مدتی اجرام زیبایی را در فضا تشکیل می دهند به اسم سحابی سیاره نما. این اجرام برای مدتی در فضا دیده می شوند سپس کاملا محو خواهند شد.

یک سحابی سیاره نما به همراه کوتوله ی سفید مرکزی
http://www.uv.es/jrtorres/index6_archivos/image003.png

ستارگان سنگین

در ستارگان سنگین بعد از این که هسته ی ستاره تبدیل به کربن شد، فرایند نمی ایستد! در این مرحله یک هسته ی داغ کربنی داریم که با پوسته ای از هلیوم در حال سوختن احاطه شده و این پوسته هم درون یک پوسته ی هیدروژنی در حال سوختن قرار دارد! دما و فشار زیر وزن لایه های بالایی آنقدر در مرکز بالا می رود که کربن هم شروع به واکنش می کند و می سوزد و تبدیل به نئون می شود و باقی مانده ی کربن به صورت یک پوسته ی در حال سوختن حول نئون قرار می گیرد. همین اتفاق برای هسته ی نئونی رخ می دهد و بعد هسته ی اکسیژنی سپس هسته ی سیلسیمی. در نهایت سیلسیم با همین سلسله واکنش ها به آهن تبدیل می شود و از این جا پایان خشن ستاره های سنگین شروع می شود:

پوسته های ستاره ای
http://upload.wikimedia.org/wikipedi...ion_shells.svg

هسته ی ستاره ها توانایی تولید انرژی از آهن را ندارند بنا بر این ستاره وقتی به آهن رسید تقریبا نمی تواند هیچ انرژیی تولید کند. به یاد بیاورید انرژیی که از مرکز تولید می شد مانند کسی که یک توپ پینگ پونگ را با فوت کردن از پایین، در هوا نگه می دارد، لایه های ستاره را نگه می داشت. اکنون اگر انرژی قطع شود مانند این است که شخص فوت کننده دیگر به سمت توپ فوت نمی کند! چه می شود؟ توپ پایین می افتد!! در مورد ستاره ها این طور می شود که لایه های ستاره به سمت هسته سقوط می کنند. این سقوط تا کجا ادامه میابد؟ بیایید با مثال توپ در حال سقوط مقایسه کنیم: توپ تا زمین زیرش سقوط می کند! فرض کنید زمین زیرش یک لایه شیشه است، اگر توپ به شیشه بخورد در صورتی که وزن و سرعت توپ کم باشد و شیشه هم به اندازه ی کافی سخت باشد پس از برخورد به شیشه توپ باز می گردد.

برای برخی از ستاره ها دقیقا این اتفاق می افتد یعنی اگر وزن ستاره خیلی زیاد نباشد بعد از سقوط لایه ها به سمت هسته، یک موج شدید و عظیم ایجاد می شود و لایه ها را به سمت عقب پس می زند. این موج قوی تمام لایه های ستاره را به سمت فضا پرتاب می کند و تمام انرژی تابشی که در لایه ها ذخیره شده بود ناگهان در طی چند روز با باز شدن لایه ها در فضا پخش می شود. این فرایند یک انفجار ابرنواختری است! گاه گداری بعضی ابر نو اختر ها در کهکشان های همسایه دیده می شوند. ابر نو اختر ها به قدری نورانی هستند که عملا از فواصل بسیار دور بین کهکشانی به راحتی قابل مشاهده هستند. بعد از ابر نواختر ها یک هسته ی بسیار بسیار فشرده به قطر ده کیلومتر و جرمی بیش از خورشید باقی می ماند که به آن ستاره ی نوترونی می گویند. فشردگی این هسته میلیون ها بار از فشردگی کوتوله ی سفید بیشتر است.

ایجاد یک ابر نو اختر
http://upload.wikimedia.org/wikipedi...e_scenario.svg

بقایای ابر نواختری
http://upload.wikimedia.org/wikipedi...rab_Nebula.jpg

اما گاهی اوقات توپ در حال سقوط ما آن قدر سنگین است که شیشه ی زیرش می شکند و توپ به راهش ادامه می دهد! در این مورد برای ستاره چه اتفاقی می افتد؟ اگر وزن لایه های ستاره خیلی زیاد باشد هسته نمی تواند جلوی سقوط لایه های بالایی را بگیرد در این حالت عجیبترین مخلوق کیهان متولد می شود: سیاه چاله! بعد از این که هسته شکست لایه ها راه خود رو به درون یک چاه بی انتهای گرانشی ادامه می دهند، چاهی که هیچ چیزی حتی نور با آن سرعتش نمی تواند از درون آن فرار کند. به مرور سیاه چاله ای که در مرکز شکل گرفته تمام لایه های ستاره را به درون خود می کشد و پس از تمام شدن ماده ی ستاره خاموش می نشیند و تنها به طریق جاذبه ای که ایجاد می کند می توان آن را آشکار کرد.

تصویر خیالی یک سیاه چاله ی در حال تولد
http://upload.wikimedia.org/wikipedi..._ray_burst.jpg

برای بحث و گفتگو و کسب اطلاعات بیشتر راجع به مباحث درسنامه می توانید به تاپیکهای زیر مراجعه کنید :)

تحول انواع ستاره ها

ستارهای متغییر

سحابی ها