Οι πραγματικές διασημότητες – τα αστέρια

Γλωσσάριο/νέες έννοιες:

Αστέρι: ουράνιο σώμα που είναι μια τεράστια σφαίρα πυρακτωμένου αερίου που παράγει ενέργεια με σύντηξη, κατά την οποία το υδρογόνο μετατρέπεται σε ήλιο. Η ενέργεια αυτή διαδίδεται ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Οι διεργασίες σύντηξης στους πυρήνες των άστρων παράγουν σχεδόν όλα τα χημικά στοιχεία του περιοδικού πίνακα.

Πλάσμα: Η πιο άφθονη κατάσταση της ύλης στο σύμπαν. Είναι μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις αθροιστικές καταστάσεις της ύλης, μαζί με τη στερεή, την υγρή και την αέρια κατάσταση. Αποτελείται από ουδέτερα άτομα, ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα αστέρια, συμπεριλαμβανομένου του Ήλιου μας, είναι τεράστιες σφαίρες πλάσματος.

Κόκκινος γίγαντας: Όταν ένα αστέρι φτάνει σε ένα προχωρημένο στάδιο της ζωής του, ξεμένει από υδρογόνο στον πυρήνα του και αρχίζει να καίει ήλιο. Ως αποτέλεσμα, ο πυρήνας του αστέρα συρρικνώνεται και τα εξωτερικά του στρώματα διαστέλλονται, μειώνοντας τη θερμοκρασία της επιφάνειάς του. Γίνεται ψυχρότερο και αρχίζει να εκπέμπει κόκκινο φως. Οι δυνάμεις δεν εξισορροπούνται, το αστέρι διογκώνεται σε μέγεθος, γίνεται μεγαλύτερο και ψυχρότερο μέχρι να ισορροπήσουν και πάλι οι δυνάμεις. Είναι πλέον ένα γιγάντιο αστέρι με χαρακτηριστικό κόκκινο χρώμα.

Μαύρη Τρύπα: Πρόκειται για μια περιοχή του διαστήματος όπου η βαρυτική έλξη είναι τόσο ισχυρή που τίποτα δεν μπορεί να ξεφύγει από αυτήν, ούτε καν ένα σώμα που κινείται με την ταχύτητα του φωτός. Όταν τα πιο ογκώδη αστέρια ξεμένουν από καύσιμα στο τέλος του κύκλου ζωής τους, τα εξωτερικά τους στρώματα εκρήγνυνται στο διάστημα και οι πυρήνες τους συρρικνώνονται κάτω από τη δική τους βαρύτητα μέχρι να γίνουν ένα απειροελάχιστο σημείο. Γύρω του σχηματίζεται ένα πολύ ισχυρό βαρυτικό πεδίο, που υπερβαίνει κατά πολύ την πίεση στον πυρήνα, και το άστρο καταρρέει σε μια μαύρη τρύπα.

Νάνος πλανήτης: Ένα μικρό ουράνιο σώμα παρόμοιο με έναν πλανήτη. Κινείται σε τροχιά γύρω από ένα αστέρι. Έχει αρκετή μάζα για να πάρει σχήμα σφαίρας από τη δική του βαρύτητα, αλλά η μάζα αυτή δεν επαρκεί για να καθαρίσει την τροχιά του από άλλα αστρονομικά αντικείμενα. Δεν είναι δορυφόρος άλλου πλανήτη ή πλανήτης νάνος.

Τι είναι ο γαλαξίας μας;

Οι γαλαξίες είναι τεράστιες οικογένειες αστέρων που βρίσκονται διασκορπισμένοι στην απέραντη έκταση του Σύμπαντος. Ο δικός μας γαλαξίας είναι ο Γαλαξίας μας. Το ηλιακό σύστημα είναι μέρος αυτού του γαλαξία. Σε μια καθαρή νύχτα μπορούμε να παρατηρήσουμε χιλιάδες αστέρια, τα οποία αποτελούν ένα μικρό κλάσμα των 200 δισεκατομμυρίων αστέρων του γαλαξία μας. Από τη Γη, η πυκνότερη περιοχή του Γαλαξία μας είναι ορατή ως μια αχνή, γαλακτώδης λευκή λωρίδα που διασχίζει τον ουρανό. Στην πραγματικότητα, το σχήμα αυτού του τεράστιου γαλαξία είναι σπειροειδές. Στον πυρήνα του υπάρχουν κίτρινα και κόκκινα αστέρια και οι δύο βραχίονές του αποτελούνται από νεφελώματα σκόνης και λαμπερά μπλε και λευκά αστέρια. Η Γη βρίσκεται στο άκρο του ενός βραχίονα, 30.000 έτη φωτός από το κέντρο του Γαλαξία μας. Ταξιδεύοντας με την ταχύτητα του φωτός, θα χρειαζόμασταν περίπου 100.000 χρόνια για να γυρίσουμε όλο τον γαλαξία μας.

Ο Γαλαξίας μας. Πηγή: https://depositphotos.com/photo/colorful-space-shot-of-milky-way-galaxy-with-stars-and-space-dust-32263367.html

Πώς γεννιούνται τα αστέρια;

Τα αστέρια είναι τεράστιες μάζες θερμού αερίου. Όταν τα κοιτάζουμε, μοιάζουν με μικροσκοπικές λαμπερές κουκκίδες στον ουρανό, επειδή είναι τόσο μακριά από εμάς. Έχουν διαφορετικά μεγέθη, χρώματα, θερμοκρασίες, φωτεινότητα. Τα αστέρια λάμπουν επειδή έχουν πυρηνικές αντιδράσεις στον πυρήνα τους. Τα ψυχρά αστέρια είναι κόκκινα και τα θερμά αστέρια είναι μπλε ή λευκά.

Όπως η ανθρώπινη ζωή, έτσι και η ζωή των αστεριών χωρίζεται σε διάφορα στάδια: γέννηση, ωριμότητα και θάνατος.

Πηγή: https://depositphotos.com/photo/life-cycle-of-a-star-63058181.html

Τα αστέρια γεννιούνται σε γιγάντια σκοτεινά και ψυχρά νέφη σκόνης και αερίων, στα οποία το κύριο δομικό στοιχείο είναι το υδρογόνο. Τα νέφη καταρρέουν υπό την ίδια τους τη βαρύτητα ή ως αποτέλεσμα έκρηξης ενός κοντινού άστρου και διασπώνται σε μικρότερα νέφη. Καθώς το νέφος συστέλλεται, η ύλη στο κέντρο του αρχίζει να θερμαίνεται (όπως συμβαίνει όταν φουσκώνετε ένα μπαλόνι – ο αέρας στο εσωτερικό του θερμαίνεται). Το αποτέλεσμα είναι η βαρυτική κατάρρευση.

Στο κέντρο του νέφους σχηματίζεται ένας ολοένα και πιο θερμός και πυκνός πυρήνας.  Έτσι εμφανίζεται ο πρωτοαστέρας. Πρόκειται για το αρχικό στάδιο του σχηματισμού των άστρων. Αποτελείται από έναν αστρικό πυρήνα και ένα περίβλημα αερίου χαμηλής πυκνότητας. Σταδιακά, το αέριο περίβλημα αρχίζει να συστέλλεται προς τον πυρήνα και στη συνέχεια να περιστρέφεται γύρω από αυτόν. Στο επόμενο στάδιο, το αέριο θερμαίνεται σταδιακά και ο πρωτοαστέρας αρχίζει να λάμπει αμυδρά, εκπέμποντας υπέρυθρες ακτίνες που παράγονται από τη θερμότητα. Δεν εκπέμπει φως από το ορατό φάσμα.

Η συρρίκνωση συνεχίζεται μέχρι η θερμοκρασία να φθάσει περίπου τους 10 εκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν.

(10 000 000 Κ) και οι αντιδράσεις σύντηξης ξεκινούν στον πυρήνα του πρωτοαστέρα, το υδρογόνο μετατρέπεται σε ήλιο και απελευθερώνεται τεράστια ποσότητα ενέργειας. Η πίεση που προκαλείται από αυτή τη διαδικασία εξουδετερώνει τη βαρύτητα, η συστολή του πρωτοαστέρα παύει, και το νεαρό ΑΣΤΕΡΙΟ γεννιέται!  Διασκορπίζει τα συντρίμμια του σχηματισμού που το είχαν σκεπάσει, και το νεογέννητο άστρο είναι πλέον ορατό – εκπέμποντας το δικό του φως και θερμότητα. Έτσι δημιουργήθηκε ο Ήλιος μας.

Η διαδικασία γέννησης ενός άστρου μπορεί να κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες χιλιάδες έως μερικά εκατομμύρια χρόνια. Αυτό είναι ένα πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα από την άποψη της ανθρώπινης ζωής, αλλά ένα σχετικά μικρό χρονικό διάστημα σε κοσμική κλίμακα.

Ένα από τα πιο μελετημένα ουράνια σώματα, ένα εκκολαπτήριο αστέρων, είναι το νεφέλωμα του Ωρίωνα. Πρόκειται για ένα τεράστιο νέφος αερίων και σκόνης στο οποίο σχηματίζονται ενεργά νέα αστέρια. Γύρω από πολλά από τα νεαρά αστέρια παρατηρούνται δίσκοι αερίου και σκόνης από τους οποίους μπορεί να σχηματιστούν μελλοντικά πλανήτες. Επειδή είναι ένα από τα πιο φωτεινά νεφελώματα που μπορεί να δει κανείς ακόμη και με γυμνό μάτι και βρίσκεται σε σχετικά κοντινή απόσταση από εμάς – περίπου 1350 έτη φωτός μακριά – παρουσιάζει ενδιαφέρον για τους αστρονόμους. Χρησιμοποιώντας ισχυρά τηλεσκόπια, συμπεριλαμβανομένου του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble, μελετούν λεπτομερώς τα στάδια του σχηματισμού και της εξέλιξης των αστέρων, τη δυναμική των νεφών αερίου-σκόνης, την επίδραση των αστέρων στο περιβάλλον μεσοαστρικό μέσο, τη χημική σύσταση του νεφελώματος και πολλά άλλα.

Οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι αυτό που παρατήρησαν στον Ωρίωνα πιθανώς συνέβη στο ηλιακό μας σύστημα πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.

Το νεφέλωμα του Ωρίωνα. Πηγή: https://depositphotos.com/photo/great-orion-nebula-5087469.html

Ωρίμανση και θάνατος ενός άστρου

Τα αστέρια εισέρχονται στην κύρια φάση, την ωριμότητα της ζωής τους, όταν έχει αρχίσει η πυρηνική σύντηξη και το αστέρι βρίσκεται σε υδροστατική ισορροπία: η πίεση που δημιουργείται από τις αντιδράσεις σύντηξης στον πυρήνα εξισορροπείται από τις βαρυτικές δυνάμεις που ωθούν προς τα μέσα και η συστολή του αστέρα παύει. Σε αυτή τη φάση της ζωής τους, τα αστέρια είναι σταθερά και βρίσκονται στο στάδιο όπου μετατρέπουν το υδρογόνο σε ήλιο, και αυτή η περίοδος ονομάζεται κύρια ακολουθία. Ο Ήλιος βρίσκεται τώρα σε αυτό το στάδιο της ζωής του.

Η εξελικτική εξέλιξη των αστέρων παρουσιάζεται στο διάγραμμα Hertzsprung-Russell – αυτή είναι η καμπύλη γύρω από την οποία διατάσσονται τα περισσότερα αστέρια. Το διάγραμμα αυτό δείχνει τη μαθηματική σχέση μεταξύ της φωτεινότητας (ακτινοβολίας) και της επιφανειακής θερμοκρασίας των αστέρων (φασματική κλάση) στην κύρια φάση της ζωής τους. Το πόσο θα διαρκέσει η ζωή ενός αστέρα σε αυτή την κύρια φάση εξαρτάται από το πόσα πυρηνικά καύσιμα (υδρογόνο) διαθέτει και πόσο γρήγορα τα καταναλώνει (ισχύς). Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα των άστρων, τόσο πιο γρήγορα καταναλώνουν τα καύσιμά τους. Κατά συνέπεια, έχουν μικρότερη διάρκεια ζωής λόγω των πιο έντονων διεργασιών που συμβαίνουν στον πυρήνα τους.

Πηγή: Δική μας επεξεργασία από το έργο We Teach Data με βάση το https://physicstime.com/sites/default/files/Diagrame%20Hertz-Russel.jpg

Ο θάνατος ενός άστρου επέρχεται όταν εξαντληθεί το καύσιμο υδρογόνο στον πυρήνα του και σταματήσουν οι πυρηνικές αντιδράσεις. Αυτό αφαιρεί την πηγή που διατηρεί την ισορροπία του άστρου και αυτό εγκαταλείπει την κύρια ακολουθία. Στη συνέχεια αρχίζει να εξελίσσεται με διαφορετικό τρόπο ανάλογα με τη μάζα του.

Αστέρια με μικρή μάζα παρόμοια με του Ήλιου

Πηγή: https://depositphotos.com/photo/extremely-hot-star-flaring-of-sun-elements-of-this-image-furnished-by-nasa-274027146.html

• Κόκκινος γίγαντας

Μετά από δισεκατομμύρια χρόνια, το υδρογόνο στον πυρήνα του άστρου εξαντλείται και η πίεση από τις πυρηνικές αντιδράσεις μειώνεται και σταματά. Αυτό αφαιρεί την πηγή που διατηρεί το άστρο σε ισορροπία, η ισορροπία μεταξύ πίεσης και βαρυτικών δυνάμεων διαταράσσεται. Ο πυρήνας του αρχίζει να συρρικνώνεται και να θερμαίνεται. Αλλά τα εξωτερικά στρώματα αρχίζουν να ψύχονται και να διαστέλλονται – έως και 100 φορές το προηγούμενο μέγεθος του άστρου. Έτσι γίνεται ένας ερυθρός γίγαντας.

Πηγή: https://depositphotos.com/photo/astronomy-red-giant-star-522894196.html

• Λευκός νάνος

Πηγή: https://depositphotos.com/photo/white-dwarf-core-extinct-star-core-illustration-587998246.html

Αφού γίνει κοκκινος γίγαντας, τα εξωτερικά στρώματα του άστρου συνεχίζουν να διαστέλλονται και να ψύχονται, ενώ ο πυρήνας συστέλλεται και θερμαίνεται. Καθώς το ήλιο καίγεται μέσα στους πυρήνες των άστρων, σχηματίζονται ιδιόμορφοι θερμικοί παλμοί που εξαπλώνονται προς τα έξω και “φυσάνε” τα εξωτερικά στρώματα των άστρων στο περιβάλλον διάστημα. Αυτά τα εξωτερικά στρώματα μπορεί να περιέχουν περισσότερο από το ήμισυ της αστρικής μάζας. Ως αποτέλεσμα, γύρω από το άστρο σχηματίζεται ένα διαστελλόμενο περίβλημα αερίου, το οποίο ονομάζουμε πλανητικό νεφέλωμα.

Θα μπορούσατε να αναζητήσετε περισσότερες πληροφορίες και εικόνες ορισμένων νεφελωμάτων που μπορούν να παρατηρηθούν με ένα μικρό τηλεσκόπιο – π.χ. Μάτι της γάτας, Νεφέλωμα δακτυλίου, Νεφέλωμα Εσκιμώων.

Μετά τη διάλυση του πλανητικού νεφελώματος, ο θερμός πυρήνας του άστρου – ο λευκός νάνος – παραμένει. Πρόκειται για ένα εξαιρετικά πυκνό και καυτό αστέρι με το μέγεθος ενός πλανήτη. Εκπέμπει ενέργεια που έχει απομείνει από τις διαδικασίες πυρηνικής σύντηξης του άστρου. Με την πάροδο δισεκατομμυρίων ετών, εκπέμπει φως και ψύχεται αργά.  Όταν ο λευκός νάνος ακτινοβολεί όλη την ενέργειά του προς τα έξω, σταματά να λάμπει και πεθαίνει ως καφέ νάνος – αυτό είναι το τέλος της ζωής του άστρου.

Αστέρια με μάζα μεγαλύτερη από τον Ήλιο

Πρόκειται για αστέρια 9 έως 40 φορές μεγαλύτερης μάζας από τον Ήλιο – πραγματικοί γίγαντες του Σύμπαντος. Είναι εξαιρετικά φωτεινά και εκπέμπουν τεράστια ποσότητα ενέργειας. Περιέχουν τα περισσότερα από τα βαρέα στοιχεία που απαιτούνται για το σχηματισμό και την εξέλιξη των γαλαξιών.  Ωστόσο, η διάρκεια ζωής τους είναι σημαντικά μικρότερη από εκείνη των αστέρων με μικρότερη μάζα.

Όταν ο εναπομείνας πυρήνας ενός εκραγμένου αστέρα έχει μάζα μικρότερη από 1,4 ηλιακές μάζες, δεν μπορεί να γίνει λευκός νάνος. Αντίθετα, συνεχίζει να συστέλλεται, καθώς η πίεση των ηλεκτρονίων δεν μπορεί να εξισορροπήσει τη βαρύτητα. Η ξαφνική και ταχεία συστολή παράγει μια τεράστια έκρηξη, δημιουργώντας ένα ωστικό κύμα που εκτινάσσει τα εξωτερικά στρώματα του άστρου και τα θερμαίνει. Η φωτεινότητα του άστρου γίνεται εξαιρετικά υψηλή και είναι συγκρίσιμη με τη φωτεινότητα ενός ολόκληρου γαλαξία. Πρόκειται για ένα σουπερνόβα. Στη συνέχεια μετατρέπεται σε μια μικροσκοπική κουκκίδα. Στην πραγματικότητα δεν είναι ένα νέο άστρο, αλλά ένα παλιό άστρο που πεθαίνει. Οι εκρήξεις σουπερνόβα στο σύμπαν εκτοξεύουν όλα τα στοιχεία βαρύτερα από το οξυγόνο και είναι η μόνη πηγή στοιχείων βαρύτερων από το σίδηρο. Εμπλουτίζουν τον διαστρικό χώρο με βαριά στοιχεία, πυκνώνοντας τα νέφη αερίων που στη συνέχεια σχηματίζουν νέα αστέρια.

Δείτε το παρακάτω βίντεο:

Αφού εκραγούν ως υπερκαινοφανείς, τα μεγάλα αστέρια αφήνουν πίσω τους αστέρια νετρονίων ή μαύρες τρύπες.

Αστέρας νετρονίων – παράγεται από την τελική βαρυτική συστολή του πυρήνα του σουπερνόβα. Σε αυτή τη βίαιη κατάρρευση, οι πυρήνες των ατόμων καταστρέφονται καθώς τα πρωτόνια συνδέονται με τα ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν μια μάζα που περιέχει κυρίως νετρόνια. Ως αποτέλεσμα, η πίεση του αερίου νετρονίων σταματά την κατάρρευση και το υπόλοιπο του πυρήνα μετατρέπεται σε αστέρα νετρονίων.

Η πυκνότητα στο εσωτερικό ενός αστέρα νετρονίων είναι τεράστια – της τάξης των 1018 kg/m3 . Είναι σαν ένας μικρός κύβος από ζάρια να έχει μάζα ενός τρισεκατομμυρίου χιλιογράμμων. Από την άλλη πλευρά, το μέγεθός του είναι σχετικά μικρό – συρρικνώνεται σε ένα σώμα με διάμετρο μεταξύ 10 και 30 χιλιομέτρων. Αυτό είναι τόσο μεγάλο όσο μια πόλη. Φανταστείτε λοιπόν μερικά αστέρια στο μέγεθος του Ήλιου μας να χωράνε μέσα στα όρια, ας πούμε, του Λονδίνου! Το μαγνητικό τους πεδίο είναι δισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης.

Πηγή: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/97/A_Young_Pulsar_Shows_its_Hand.jpg

Ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων που εκπέμπουν δέσμες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ραδιοκύματα, ακτίνες Χ κ.λπ.) που κατευθύνονται προς τη Γη και μοιάζουν με περιοδικά λαμπερό φάρο ονομάζονται πάλσαρ. Αποτελούν ένα είδος “κοσμικού ρολογιού”, καθώς η περίοδος περιστροφής τους είναι πολύ σταθερή και ακριβής.

Μια μαύρη τρύπα – ένα από τα πιο μυστηριώδη και ισχυρά αντικείμενα στο Σύμπαν. Σχηματίζεται όταν πολλά ογκώδη αστέρια καταρρέουν στο τέλος του κύκλου ζωής τους.

Αν το άστρο έχει μάζα πάνω από 20 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου, η κατάρρευση μετά τον υπερκαινοφανή είναι ακόμη ταχύτερη. Ακόμη και η πίεση του αερίου νετρονίων δεν μπορεί να τη σταματήσει. Ο πυρήνας συνεχίζει να συρρικνώνεται μέχρι να γίνει ένα σημείο σχεδόν απείρως υψηλής πυκνότητας, συρρικνωμένο σε απειροελάχιστο μέγεθος. Μια μαύρη τρύπα σχηματίζεται γύρω από αυτό το σημείο. Τέτοια αντικείμενα διαθέτουν μια τεράστια βαρυτική δύναμη που παραμορφώνει σημαντικά τον χώρο και εμποδίζει ακόμη και το φως να διαδοθεί σε ευθεία γραμμή. Το φως επίσης απορροφάται και το αντικείμενο γίνεται αόρατο. Ως εκ τούτου, ένα αστρονομικό αντικείμενο του οποίου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή ώστε τίποτα, ούτε καν το φως, το οποίο έχει τη μεγαλύτερη ταχύτητα στο σύμπαν, δεν μπορεί να διαφύγει από αυτό, ονομάζεται μαύρη τρύπα. Το όριο γύρω από μια μαύρη τρύπα, πέρα από το οποίο δεν υπάρχει επιστροφή, ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων. Κάθε σώμα που διασχίζει αυτό το όριο καταπίνεται από τη μαύρη τρύπα.

Οι μαύρες τρύπες δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα.  Ο μόνος τρόπος για να τις ανιχνεύσουμε είναι να παρατηρήσουμε τις επιπτώσεις που έχουν τέτοια αντικείμενα στο διάστημα και σε άλλα αντικείμενα γύρω τους – αν η ύλη από ένα άλλο κοντινό αντικείμενο εισχωρήσει σπειροειδώς μέσα τους, θερμαίνεται σημαντικά και εκπέμπει ακτίνες Χ και ακτίνες γάμμα που μπορούμε να ανιχνεύσουμε.

Πηγή: https://depositphotos.com/photo/stars-and-material-falls-into-a-black-hole-77862928.html

Πηγή: https://depositphotos.com/photos/61134599