Η ζωή και ο θάνατος ενός αστεριού

Τα αστέρια διαρκούν πολύ καιρό, αλλά τελικά θα πεθάνουν. Η ενέργεια που δημιουργεί τα αστέρια, μερικά από τα μεγαλύτερα αντικείμενα που μελετάμε ποτέ, προέρχεται από την αλληλεπίδραση μεμονωμένων ατόμων. Έτσι, για να κατανοήσουμε τα μεγαλύτερα και πιο ισχυρά αντικείμενα του σύμπαντος, πρέπει να καταλάβουμε τα πιο βασικά. Στη συνέχεια, καθώς η ζωή του αστεριού τελειώνει, αυτές οι βασικές αρχές για άλλη μια φορά έρχονται στο παιχνίδι για να περιγράψουν τι θα συμβεί με το αστέρι στη συνέχεια. Οι αστρονόμοι μελετούν διάφορες πτυχές των αστεριών για να προσδιορίσουν πόσο χρονών είναι αυτοί καθώς και τα άλλα χαρακτηριστικά τους. Αυτό τους βοηθά να κατανοήσουν και τις διαδικασίες ζωής και θανάτου που βιώνουν.

Τα αστέρια χρειάστηκαν πολύ χρόνο για να σχηματίσουν, καθώς το αέριο που παρασύρεται στο σύμπαν συναρτάται από τη δύναμη της βαρύτητας. Αυτό το αέριο είναι κυρίως υδρογόνο, επειδή είναι το πιο βασικό και άφθονο στοιχείο του σύμπαντος, αν και κάποιο από τα αέρια μπορεί να αποτελείται από κάποια άλλα στοιχεία. Αρκετά από αυτό το αέριο αρχίζει να συγκεντρώνεται μαζί κάτω από τη βαρύτητα και κάθε άτομο τραβάει όλα τα άλλα άτομα.

Αυτή η βαρυτική έλξη είναι αρκετή για να αναγκάσει τα άτομα να συγκρουστούν μεταξύ τους, τα οποία με τη σειρά τους παράγουν θερμότητα. Στην πραγματικότητα, καθώς τα άτομα συγκρούονται μεταξύ τους, δονείται και κινείται πιο γρήγορα (δηλαδή, τελικά, τι θερμότητα είναι πραγματικά: ατομική κίνηση). Τελικά, γίνονται τόσο καυτά, και τα μεμονωμένα άτομα έχουν τόσα πολλά κινητική ενέργεια, όταν συγκρούονται με ένα άλλο άτομο (το οποίο επίσης έχει πολλή κινητική ενέργεια), δεν αναπήδησαν απλά το ένα το άλλο.

Με αρκετή ενέργεια, τα δύο άτομα συγκρούονται και ο πυρήνας αυτών των ατόμων συγχωνεύεται. Θυμηθείτε, αυτό είναι ως επί το πλείστον υδρογόνο, το οποίο σημαίνει ότι κάθε άτομο περιέχει πυρήνα με μόνο ένα πρωτόνιο. Όταν αυτοί οι πυρήνες συνενώνονται (μια διαδικασία γνωστή, αρκετά κατάλληλη, όπως πυρηνική σύντηξη) ο προκύπτον πυρήνα έχει δύο πρωτόνια, που σημαίνει ότι το νέο άτομο που δημιουργήθηκε είναι ήλιο. Τα αστέρια μπορούν επίσης να διασυνδέσουν βαρύτερα άτομα, όπως το ήλιο, για να κάνουν ακόμα μεγαλύτερους ατομικούς πυρήνες. (Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται νουκλεοσύνθεση, πιστεύεται ότι είναι πόσα από τα στοιχεία του σύμπαντος μας σχηματίστηκαν).

Έτσι τα άτομα (συχνά το στοιχείο υδρογόνου) μέσα στο αστέρι συγκρούονται μαζί, περνώντας από μια διαδικασία πυρηνικής σύντηξης, η οποία παράγει θερμότητα, ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (συμπεριλαμβανομένου ορατό φως) και ενέργεια σε άλλες μορφές, όπως σωματίδια υψηλής ενέργειας. Αυτή η περίοδος ατομικής καύσης είναι αυτό που οι περισσότεροι από εμάς θεωρούμε ως τη ζωή ενός αστεριού και είναι σε αυτή τη φάση ότι βλέπουμε τα περισσότερα αστέρια στον ουρανό.

Αυτή η θερμότητα δημιουργεί μια πίεση - σαν τον αέρα θέρμανσης μέσα σε ένα μπαλόνι δημιουργεί πίεση στην επιφάνεια του μπαλονιού (δυσανάλογη αναλογία) - που ωθεί τα άτομα σε απόσταση. Αλλά θυμηθείτε ότι η βαρύτητα προσπαθεί να τους τραβήξει μαζί. Τελικά, το αστέρι φτάνει σε μια ισορροπία όπου η έλξη της βαρύτητας και της απωθητικής πίεσης είναι ισορροπημένη, και κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου το αστέρι καίγεται με σχετικά σταθερό τρόπο.

Μέχρι να εξαντληθεί το καύσιμο, δηλαδή.

Καθώς το καύσιμο υδρογόνου σε ένα αστέρι μετατρέπεται σε ήλιο και σε ορισμένα βαρύτερα στοιχεία, χρειάζεται όλο και περισσότερη θερμότητα για να προκαλέσει την πυρηνική σύντηξη. Η μάζα ενός αστεριού παίζει ρόλο στο χρόνο που χρειάζεται για να "καεί" μέσω του καυσίμου. Τα πιο μαζικά αστέρια χρησιμοποιούν τα καύσιμα τους γρηγορότερα επειδή χρειάζονται περισσότερη ενέργεια για να αντισταθμίσουν τη μεγαλύτερη βαρυτική δύναμη. (Ή, θέτοντας άλλο τρόπο, η μεγαλύτερη βαρυτική δύναμη προκαλεί την ταχύτερη σύγκρουση των ατόμων). Ενώ ο ήλιος μας πιθανότατα θα διαρκέσει περίπου 5 χιλιάδες εκατομμύρια χρόνια, μαζικά αστέρια μπορεί να διαρκέσει μόλις εκατό εκατομμύρια χρόνια πριν χρησιμοποιήσει τα καύσιμα τους.

Καθώς το καύσιμο του αστεριού αρχίζει να εξαντλείται, το αστέρι αρχίζει να παράγει λιγότερη θερμότητα. Χωρίς τη θερμότητα για να αντισταθμιστεί η βαρυτική έλξη, το αστέρι αρχίζει να συστέλλεται.

Όλα όμως δεν χάνονται! Θυμηθείτε ότι αυτά τα άτομα αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια, τα οποία είναι φερμιόνια. Ένας από τους κανόνες που διέπουν φερμιόνια ονομάζεται Αρχή αποκλεισμού Pauli, το οποίο δηλώνει ότι δεν υπάρχουν δύο φερμιόνια που μπορούν να καταλάβουν την ίδια «κατάσταση», η οποία είναι ένας φανταστικός τρόπος να πούμε ότι δεν μπορεί να είναι περισσότερα από ένα ταυτόσημα στο ίδιο μέρος που κάνουν το ίδιο πράγμα. (Οι βοσόνες, από την άλλη πλευρά, δεν αντιμετωπίζουν αυτό το πρόβλημα, το οποίο αποτελεί μέρος του έργου λέιζερ με βάση τα φωτόνια.)

Το αποτέλεσμα αυτού είναι ότι η αρχή του Pauli Exclusion δημιουργεί μια ακόμα ελαφρά απωθητική δύναμη μεταξύ των ηλεκτρονίων, η οποία μπορεί να συμβάλει στην εξουδετέρωση της κατάρρευσης ενός αστέρα, μετατρέποντάς την σε άσπρος νάνος. Αυτό ανακάλυψε ο ινδός φυσικός Subrahmanyan Chandrasekhar το 1928.

Ένας άλλος τύπος αστέρι, το αστέρι νετρονίων, δημιουργούνται όταν ένα αστέρι καταρρέει και η απόρριψη νετρονίων-νετρονίων εξουδετερώνει την βαρυτική κατάρρευση.

Ωστόσο, δεν είναι όλα αστέρια άσπρα αστέρια νάνος ή ακόμα και αστέρια νετρονίων. Ο Chandrasekhar συνειδητοποίησε ότι μερικά αστέρια θα είχαν πολύ διαφορετικές μοίρες.

Ο Chandrasekhar όρισε οποιοδήποτε άστρο πιο μαζικό από περίπου 1,4 φορές τον ήλιο μας (μια μάζα που ονομάζεται Όριο Chandrasekhar) δεν θα ήταν σε θέση να υποστηρίξει τον εαυτό του από τη δική του βαρύτητα και θα κατέρρεε σε α άσπρος νάνος. Τα αστέρια που φτάνουν μέχρι περίπου 3 φορές τον ήλιο μας θα γίνουν αστέρια νετρονίων.

Πέρα από αυτό, όμως, υπάρχει πάρα πολύ μάζα για το αστέρι να αντισταθμίζει την βαρυτική έλξη μέσω της αρχής του αποκλεισμού. Είναι πιθανό ότι όταν το αστέρι πεθαίνει μπορεί να περάσει από ένα σουπερνόβα, αποβάλλοντας αρκετή μάζα στο σύμπαν που πέφτει κάτω από αυτά τα όρια και γίνεται ένας από αυτούς τους τύπους αστεριών... αλλά αν όχι, τότε τι συμβαίνει;

Λοιπόν, σε αυτή την περίπτωση, η μάζα συνεχίζει να καταρρέει κάτω από τις βαρυτικές δυνάμεις μέχρι το α μαύρη τρύπα σχηματίζεται.

Και αυτό είναι που ονομάζετε το θάνατο ενός άστρου.