وبلاگ دانستنی های علمی
» مرگ ستارگان پدیده ای عجیب وشگفت...
زمانی که ستارگان می میرند، بسیاری از آن ها به توپ بسیارچگالی از مواد هسته ای تبدیل می شوند که با دریایی از الکترون ها آمیخته اند و آن ها را به نام "کوتوله "های سفید می شناسیم. همین سرنوشت خورشید ماست که سوخت هسته ای اش را تمام می کند نودوپنج درصد از ستارگان کهکشان ما همین سرنوشت را خواهند داشت. چیزی به نام ستاره کوتوله سفید وجود دارد توپی ازماده که با توجه به اصل طرد پاولی از فروپاشی بیشتر ناشی از گرانش خودش جلوگیری می کند.
نقطه شروع ما باید این باشد که "ستاره چیست"؟
جهان قابل رؤیت با تقریب خوبی از هیدروژن و هلیم تشکیل شده است؛ دو عنصر ساده ای که در اولین دقایق پس از انفجار بزرگ به وجود آمدند. پس از حدوداً نیم میلیارد سال انبساط، جهان در قسمت های چگال تَرَش به اندازه کافی خنک شد تا ابرهای گازی بتوانند تحت گرانش خود متراکم شوند. این ها در حقیقت بذر کهکشان ها محسوب می شوند و در لابه لای این ابرها و در محدوده های کوچک تر اولین ستارگان شروع به شکل گیری کردند.
هرقدر که این ابرها متراکم تر می شدند، گاز داغ تر می شد؛ کسانی که از تلمبه برای باد کردن لاستیک دوچرخه شان استفاده کرده باشند می دانند که هرقدر گاز (هوا) را متراکم کنیم، دمایش بیشتر می شود. زمانی که دمای این گاز به صدهزار درجه برسد، الکترون ها دیگر نمی توانند به دور هسته اتم های هلیم و هیدروژن بگردند و اتم ها متلاشی می شوند و پلاسمایی از هسته خالص و الکترون ها را به جای می گذارند.
گاز داغ در تلاش است که به سمت بیرون منبسط شود و از تراکم بیشتر جلوگیری کند اما برای مجموعه ابرهایی که به اندازه کافی سنگین هستند، گرانش برنده می شود . ازآنجایی که پروتون ها بار مثبت دارند همدیگر را دفع می ، کنند اما هرقدر که فروپاشی گرانشی پیش می رود و دما را افزایش می دهد پروتون ها سریع تر و سریع تر حرکت می کنند .نهایتاً در دمایی حدود چند میلیون درجه پروتون ها آن قدر سریع حرکت می کنند که به جایی می رسند که نیروی هسته ای ضعیف بتوانند عنان کار را در دست بگیرد. زمانی که چنین اتفاقی بیافتد دو پروتون می توانند در مقابل هم عکس العمل انجام دهند؛ یکی از آن ها با گسیل همزمان پوزیترون و نوترینو تبدیل به نوترون می شود.
حال که این ذره از بار خلاص شد، پروتون و نوترون تحت نیروی هسته ای قوی باهم همجوشی کرده و دوترون (هسته سنگین تر هیدروژن) را می سازند. این فرایند مقدار انرژی زیادی را ساطع میکند دقیقاً مانند تشکیل اتم هیدروژن که پیوند چیزها ساطع می کرد. انرژی آزادشده از تنها یک فرایند همجوشی با توجه به مقیاس های روزمره، بزرگ نیست. همجوشی یک میلیون پروتون-پروتون می تواند انرژی ای در حد انرژی جنبشی یک مگس در حال پرواز تولید کند، یا برابر خواهد بود با انرژی ساطع شده از یک لامپ صد وات در یک نانوثانیه. اما این عدد د ر مقیاس های اتمی بسیار عظیم است و به خاطر داشته باشید که ما داریم درباره قلب چگال یک ابر گازی در حال فروپاشی صحبت می کنیم.
همجوشی دو پروتون به یک دوترون آغاز جشن همجوشی هاست .خود دوترون دوست دارد با پروتون دیگری همجوشی کرده و هسته سبکی از هلیم را بسازد و یک فوتون گسیل کند و این هسته های هلیم باهم جفت شده و همجوشی می کنند و پس از گسیل (بیرون راندن) دو پروتون، به هلیم معمول می شوند. در هر مرحله، فرایند همجوشی انرژی بیشتر و بیشتری را ساطع می کند. همچنین، برای اینکه دقیق تر بدانید، پوزیترونی که در ابتدای این سلسله فرایند گسیل شده بود، با الکترون های موجود در پلاسمای محیطی همجوشی کرده و یک جفت فوتون را می سازند. این انرژی ای که آزاد می شود، سعی در منبسط کردن گاز داغ مملو از فوتون ، ها الکترون ها و هسته ها می کند و در مقابل نیروی گرانش ایستادگی می کند. این یک ستاره است: همجوشی های هسته ای سوخت هسته ای مرکز ستاره را می سوزانند و فشاری به سمت بیرون وارد می کنند که باعث می شود در مقابل فروپاشی گرانشی مقاومت کرده و ستاره را به تعادل برسانند.
البته سوخت هیدروژن ستاره محدود است و نهایتاً تمام می شود. بدون آزادسازی انرژی، فشار به بیرونی نیز وجود نخواهد داشت؛ گرانش دوباره کنترل کار را در دست می گیرد و فروپاشیِ به تعویق افتاده ادامه پیدا می کند. اگر ستاره به اندازه کافی سنگین باشد، دمای هسته آن به دمای نزدیک به صد میلیون درجه می رسد. در این مرحله هلیمی که خود باقی مانده سوخت هیدروژن بود، دست به کار شده و با همجوشی تبدیل به کربن و اکسیژن می شود و دوباره فروپاشی گرانشی به طور موقت متوقف می شود . اما اگر ستاره به اندازه کافی سنگین نباشد که بتواند گداخت هلیم را به جریان بیاندازد چه می شود؟ برای ستارگانی که جرمشان کمتر از نصف خورشید است این اتفاق رخ می دهد دمای ستاره در طی فروپاشی افزایش می یابد اما قبل از اینکه به دمای صد میلیون درجه برسد، مانع دیگری سر راه دمای فروپاشی قد علم می کند. این مانع الکترون ها هستند که به دلیل اصل طرد پاولی، فشاری را به بیرون وارد می کنند.
اصل پاولی برای فهم علت پایداری اتم ها مهم است و این اصل خصوصیات مواد را پی ریزی می کند. کاربرد دیگر این اصل در اینجاست: این اصل توضیحی برای ستارگان فشرده ای که هیچ سوختی ندارند، اما هنوز باقی مانده اند فراهم می کند. این اتفاق چگونه می افتد؟
به تدریج که ستاره متراکم می شود الکترون های آن مجبورند در حجم کوچک تری جای بگیرند.
آن قدر این تراکم زیاد است که دو الکترون تلاش می کنند در یک منطقه یکسانی جای بگیرند و می دانیم که طبق اصل پاولی این کار امکان پذیر نیست و در مقابل این اتفاق مقاومتی صورت می گیرد .بنابراین در یک ستاره در حال مرگ الکترون ها همدیگر را دفع کرده و این کار فشاری برابر با فشار ناشی از گرانش ایجاد می کند و ستاره دیگر دست از فروپاشی می کشد. خب این سرنوشت ستاره های کوچک بود
اما چه بلایی سر ستاره هایی مثل خورشید ما می افتد؟
ستاره هایی مثل خورشید هلیمشان را با فرایند گداخت (همجوشی) به کربن و اکسیژن تبدیل می کردند .وقتی که هلیمشان هم تمام شد چه می شود؟ آن ها نیز باید به فروپاشی تحت گرانش خودشان ادامه دهند و تا زمانی که الکترون ها به هم نزدیک نشده اند، این فروپاشی ادامه دارد و دقیقاً مانند ستاره های سبک تر اصل پاولی وارد کار شده و این فروپاشی را متوقف می کند. اما برای بسیاری از ستاره های سنگین حتی اصل پاولی نیز محدودیت های خودش را دارد. هرقدر که ستاره متراکم شده و الکترون ها به هم بچسبند، هسته داغ تر شده و حرکت الکترون ها سریع تر می شود. برای ستارگانی که به اندازه کافی بزرگ اند جنب وجوش الکترون ها آن قدر سرعت می گیرد که به سرعت نور نزدیک می شود و این جایی است که اتفاق جدیدی می افتد. زمانی که آن ها به سرعت نور نزدیک شوند، فشاری که الکترون ها برای مقابله با گرانش تولید می کنند به قدری کاهش می یابد که دیگر توان مقاومت ندارند. آن ها دیگر نمی توانند جلوی گرانش و به تبع آن فروپاشی را بگیرند.
سرنوشت ستاره‌ها به سه صورت زیر است:
1) ستاره‌های متوسط مثل خورشید ما، پس از اینکه سوختشان تمام می‌شود تبدیل به کوتوله سفید 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 و لایه‌های خارجی خود را بصورت سحابی به فضا می‌فرستند و در نهایت به کوتوله سفید تبدیل می شود. در مرحله کوتوله سفید، ماده ستاره‌ای فشرده می‌شود و به جسمی کم نور، به اندازۀ زمین، تبدیل می‌شود. از آنجا که ستاره دیگر هیچ منبعی برای تولید انرژی ندارد، سرد می‌شود. پس یک کوتولهٔ سفید، ستاره‌ای است که دیگر سوخت هسته‌ای اش تمام شده و در نتیجه بسیار فشرده و کوچک می‌شود. چنین ستارگانی بسیار داغ هستند ولی آهسته آهسته دمای خود را از دست می‌دهند. ماده تشکیل دهنده کوتوله‌های سفید به اندازه‌ای به هم فشرده‌است که یک قاشق غذاخوری آن چند تن وزن دارد.
2)ستاره‌های بزرگ، با جرمی ۲۰ برابر جرم خورشید ما زمانی که سوختشان تمام می‌شود شروع به جمع شدن می‌کنند و مدام چگالی آنها بیشتر و بیشتر می‌شود، و مدام داغ‌تر و داغ‌تر می‌شوند. برای ستاره‌ای با چنین جرمی هیچ نیرویی در جهان هستی وجود ندارد که توان متوقف کردن و جمع شدنش در خود، را داشته باشد. هسته بسیار سنگین شده و همین امر باعث می‌شود که به جمع شدن در خود ادامه دهد. گرانش، وحشی شده است! در حدود ۱۵ ثانیه نیروی غیر قابل مهار ستاره‌ای را که میلیون‌ها مایل قطر دارد به چیزی با قطر حدوداً ۱۲ مایل در هم می‌شکند. همۀ جرم ستاره همچنان پابرجاست و همین جرم خودش است که مدام باعث می‌شود که بیشتر در خود فرو رود و کوچکتر شود دمای مرکز به ۱۰۰ میلیارد درجه می‌رسد. لایه‌های بیرونی بصورت ابرنواختر منفجر می‌شوند، اما در مرکز هستۀ ستاره در چیزی به نام “چاه گرانشی” سقوط میکند. ستاره خودش را در یک نقطه فشرده میکند یک سیاهچاله متولد می‌شود!!!
3) هنگامی که ستاره پر جرمی به شکل ابرنواختر منفجر می‌شود، شاید هستۀ آن سالم بماند. اگر جرم هسته بین ۱.۴ تا ۳ جرم خورشیدی باشد جاذبه، آن را فراتر از مرحلهٔ کوتوله سفید متراکم میکند تا این که پروتون‌ها و الکترون‌ها برای تشکیل نوترون‌ها به یکدیگر فشرده شوند و یک ستاره نوترونی متولد می شود. برای اینکه تصور بهتری از یک ستاره نوترونی در ذهنتان به وجود بیاید، می‌توانید فرض کنید که تمام جرم خورشید در مکانی به وسعت یک شهر جا داده شده است. یعنی می‌توان گفت یک قاشق از ستاره نوترونی یک میلیارد تن جرم دارد.
منبع: THE QUANTUM UNIVERSE(جهان کوانتومی)
نویسندگان: Brian Cox & Jeff Forshaw
مترجم:سیامک عطاریان
