چرخه ستارگان چگونه اتفاق می افتد؟

ستاره‌ها متولد می‌شوند، بزرگ می‌شوند و در نهایت می‌میرند و به موادی دیگر تبدیل می شوند.در این پست می خواهیم چرخه ستارگان را بررسی کنیم.

بیش از 10 هزار میلیارد میلیارد ستاره در حدود 100 میلیارد کهکشان سراسر عالم وجود دارد. همه ستاره‌ها در «ابرهای مولکولی عظیم» زاده می‌شوند؛ توده‌های غول‌پیکری که از گاز (عمدتا هیدروژن) و گرد و غبار شناور در فضای میان‌ستاره‌ای ساخته شده‌اند.ستارگان زمانی شکل می‌گیرند که این ابرهای مولکولی که با عنوان «زایشگاه‌های ستاره‌ای» نیز شناخته می‌شوند، دچار فروپاشی گرانشی می‌شوند. فشارهای گرانشی باعث بالا رفتن دمای سحابی می‌شوند و آن را به ابرهای کوچک‌تری تقسیم می‌کند. این ابرها هر کدام یک «پیش‌ستاره» هستند؛ جرمی که نطفه اولیه ستاره را شکل می‌دهد.

پیش‌ستاره جرم توپ‌مانندی است که در مراحل اولیه تبدیل شدن به ستاره قرار دارد. پیش‌ستاره شکلی نامنظم دارد و هم حاوی گاز و هم غبار است. مرحله پیش‌ستاره‌ای در چرخه عمر ستاره می‌تواند چند صد هزار سال طول بکشد. تاثیرات گرانشی باعث می‌شود تا هسته گازی پیش‌ستاره شروع به چرخیدن کند. پیش‌ستاره در تلاش برای رسیدن به تعادل منقبض شده، درخشش آن کاهش یافته و دمایش ثابت می‌ماند و در انتهای این مسیر، ستاره زاده می‌شود. با متولد شدن ستاره، فعالیت‌های هسته‌ای که قلب تپنده آن هستند آغاز می‌شوند. انرژی آزاد شده طی این فرایند است که باعث درخشیدن ستاره می‌شود. در این دوران ستاره به آرامی از هیدروژن خود تغذیه می‌کند و از طریق همجوشی هسته‌ای، هلیم می‌سازد. وقتی هیدروژن رو به اتمام می‌گذارد،حیات ستاره وارد مرحله تازه‌ای می‌شود که به جرم اولیه ستاره بستگی دارد؛ مسیری که ممکن است به انفجاری عظیم منجر شود یا با سرد و محو شدن ستاره به پایان خواهد رسید.

چنانچه “پیش ستاره” در جذب جرم ِ کافی موفق نباشد، یک کوتوله قهوه‌ای پدید می‌آید. این اجرام کوچک، زیر ستاره‌هایی هستند که قادر به حفظ واکنش‌های همجوشی هیدروژن در هستۀ خود نیستند و این به دلیل جرم ناکافی آنهاست. رشتۀ اصلی ستارگان مشکلی با این قضیه ندارد، در حالیکه این امر موجب ِ حسادت کوتوله‌های قهوه‌ای است. به عبارت ساده‌تر یک کوتوله قهوه‌ای برای آنکه یک سیاره باشد بسیار بزرگ و برای ستاره بودن نیز بسیار کوچک است. این اجرام تا سال ۱۹۹۵ تنها یک مفهوم نظری بودند، اما اکنون این باور وجود دارد که در ازای هر ۶ ستاره یک کوتولۀ قهوه‌ای وجود دارد.

اگر یک ستاره به اندازۀ کافی عظیم باشد تا اتم‌های هیدروژن را به هلیم تبدیل کند، به مرحله‌ای همچون خورشید وارد می‌شود، که به آن ستارگان رشتۀ اصلی می‌گویند. (در اخترشناسی به منحنی‌ای در نمودار هرتسپرونگ راسل گفته می‌شود که بیشتر ستارگان در آن قرار دارند. رشته اصلی طبقه‌ای از ستارگان را شامل می‌شود که بین درخشندگی، اندازه و دمای آنها رابطه پایداری وجود دارد و یک ستاره در اواسط عمر خود به این حالت می‌رسد.)

یک ستاره بیشتر عمر خود را در فاز رشتۀ اصلی می‌گذراند. در این مرحله همجوشی هسته‌ای هیدروژن را به هلیم تبدیل می‌کند. ستاره تنها به این دلیل پایدار است که فشار ناشی از این انرژی مانع رمبش گرانشی ستاره می‌شود. ( فروریختن یک جسم به درون بر اثر گرانش خودش، گفته می‌شود) به طور میانگین از هر ۱۰ ستاره، ۹ عدد از آنها در گروه ستارگان ِ رشتۀ اصلی قرار دارند. این ستاره‌ها می‌توانند یک دهم جرم خورشید ما، یا ۲۰۰ برابر جرم آن را داشته باشند. مدت زمانی که یک ستاره در مرحلۀ رشته اصلی باقی می‌ماند به اندازه آن بستگی دارد. یک ستار با جرم زیاد ممکن است مادۀ بیشتری برای سوختن داشته باشد، اما به دلیل دمای بیشتر که علتش نیروی گرانشی بیشتر است، سریع‌تر می‌سوزد. همچنین ستاره‌ای با جرم خورشید، حدود ۱۰ میلیارد سال از عمرش را در حالت عادی سپری می‌کند. اما ستاره‌ای ۱۰ برابر بزرگتر از خورشید ما تنها ۲۰۰ میلیون سال را در این مرحله سپری می‌کند و توان ِ سوختن دارد.

بعد از طی کردن فاز رشته اصلی، ستاره به یک “غول سرخ” تبدیل می‌شود. یک غول سرخ، ستاره‌ای در حال مرگ است که آخرین مراحل ِ تکامل خود را طی می‌کند.برای مثال، طی چند میلیارد سال دیگر خورشید به سمت مرگ می‌رود و متورم می‌شود. سپس سیارات درونی، شامل ناهید، عطارد، مریخ و حتی زمین را می‌بلعد. اما نگران نباشید. ما چند میلیارد سال قبل از آن مرده‌ایم. اگر قادر باشیم که برای چند میلیارد سال دیگر زنده بمانیم، دمای سطح کره زمین برای ما انسان‌ها بسیار داغ خواهد بود و مکان مناسبی برای زندگی نمی‌باشد. پس از اینکه ستاره‌ها از طریق همجوشی هسته‌ای، تبدیل ِ هیدروژن به هلیوم را متوقف می‌کنند، گرانش کنترل را به دست می‌گیرد. در واقع اندازۀ قطر ستارگان غول‌ سرخ به ۱۰۰ میلیون تا ۱ میلیارد کیلومتر می‌رسد که ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر سایز کنونی خورشید است.

در مرحلۀ بعد انرژی ِ ستاره در منطقۀ بزرگتری گسترش می‌یابد و با رسیدن به نصف ِ گرمای خورشید، خنک‌تر می‌شود. تغییر درجۀ حرارت باعث می‌شود که ستاره‌ها بیشتر به قسمت قرمز طیف نزدیک شوند؛ به همین دلیل است که به “غول سرخ” معروف هستند. از اینجا به بعد مسیر ستاره، به اندازۀ آن بستگی دارد. ستاره‌های کوچک در رشتۀ اصلی مثل خورشید و تا ۸ برابر جرم خورشید، پس از پایان ِ سوختشان و بعد از مرحلۀ غول سرخ، آهسته آهسته ناپایدار شده، گاز و غبار خود را به اطراف پخش می‌کنند و این گاز و غبار، یک “سحابی سیاره‌نما” شکل می‌دهند و با گذشت ِ زمان در نهایت هستۀ ستاره سرد و خنک شده و یک ستاره “کوتولۀ سفید” برجا می‌ماند.

پس از گذشت زمانی غیرقابل تصور، ده‌ها یا حتی صدها میلیارد سال یک کوتوله سفید آنقدر سرد می‌شود تا به یک کوتولۀ سیاه تبدیل می‌شود. کوتوله‌های سیاه نامرئی هستند، زیرا همان دمای تابش پس زمینه کیهانی، را دارد. به دلیل سن کیهان و آنچه که ما در مورد ِ قدیمی‌ترین ستاره‌ها می‌دانیم، هیچ کوتولۀ سیاهی وجود ندارد. نوع دیگر ستاره که از خورشید کوچکتر است ستاره کوتوله سرخ نام دارد، این ستارگان متداول‌ترین نوع ستاره در کیهان هستند که در دسته ستاره‌های رشته اصلی جای می‌گیرند، اما آنقدر جرم کمی دارند که از ستارگانی نظیر خورشید ما نیز سرد‌ترند و دمای سطحی آنها کمتر از ۳۵۰۰ درجه است. کوتوله‌های سرخ که ستاره‌های کوتوله‌ M نیز خوانده می‌شوند، بیش از ۵۰ برابر تاریک‌تر از خورشید بوده و فقط ۱۰ تا ۲۰ درصد آن جرم دارند.

اخترشناسان برآورد می‌کنند که برخی از ستارگان کوتوله سرخ تا ۱۰ تریلیون سال به سوختن ادامه خواهند داد. کوتوله‌های سرخ، تنها در طول چند میلیارد سال اول زندگیشان، شعله‌های قدرتمندی ایجاد می‌‌کنند. پس از آن‌، برای باقی‌ عمر تریلیون سالۀ خود آرام می گیرند. از سوی دیگر ستاره‌ای با جرم حداقل ۸ برابر خورشید، مرگی خشونت بارتر خواهد داشت. هنگامیکه سوخت ستارگان عظیم به پایان می‌رسد، می‌توانند یک ابرنواختر تبدیل شوند. برای آنها از بین رفتن با یک انفجار بهتر از نابودی تدریجی است. هنگامیکه ستاره‌ای بصورت ابرنواختر به زندگی خود پایان می‌دهد، ذراتش را با سرعت ۱۴۰۰۰ تا ۴۰۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه به فضا پرتاب می‌کند. این انفجارها بسیاری از مواد موجود در کیهان را تولید می‌کنند که شامل عناصر سنگین از جمله آهن نیز می‌شوند.این چرخه دوباره با نسلی جدید از ستاره‌ها آغاز می‌شود و ستاره‌های جدید از گرد و غبار باقیماندۀ قبلی متولد می‌شوند.

اما این به معنای پایان راه برای بقایای ستاره نیست. بعد از انفجار ِ ابرنواختری با توجه جرمش، هستۀ ستاره به شکل یک سیاهچاله و یا یک ستاره نوترونی باقی می‌ماند.یک متر مکعب از یک ستاره نوترونی تقریبا ۴۰۰ میلیارد تن وزن دارد. همه این چگالی باعث می‌شوند گرانش سطح این نوع ستارگان، بسیار عظیم باشد. از سوی دیگر باقیمانده یک ابرنواختر می‌تواند یک سیاهچاله شود. سیاهچاله‌ها به معنای واقعی کلمه فضای اطراف را به درون می‌کشند. آنها جرم عظیمی دارند که در فضای بسیار کوچکی جای گرفته‌اند و گرانش آنها به حدی زیاد است که حتی نور نیز نمی‌تواند فرار کند.این اجرام مرموز و وحشتناک، می‌توانند گذشت زمان را کُند کنند و یا شما را از هم بدرند.