Αστρική Εξέλιξη

Αστρική Εξέλιξη είναι εξελικτική πορεία που ακολουθούν οι αστέρες από τη δημιουργία τους μέχρι την κατάρρευσή τους.

Αστρική Εξέλιξη, Καλλιτεχνική Αναπαράσταση, photo by NASA

Γενικά

Αστέρες

Τα μεσοαστρικά νέφη αερίου και σκόνης, δε χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερη ομοιογένεια. Αρκετές περιοχές τους είναι πυκνότερες από τις γειτονικές, περιέχουν δε πολύ μεγαλύτερες ποσότητες μάζας. Με τη μέθοδο της προσαύξησης (accretion) οι περιοχές αυτές αυξάνουν σε μέγεθος και μάζα έως ότου συγκεντρώσουν ποσότητα ύλης ίση με μερικές ηλιακές μάζες σε χώρο μεγαλύτερο από αυτόν που καταλαμβάνει το ηλιακό σύστημα. Το γεγονός αυτό σηματοδοτεί και τη γένεση ενός πρωτοαστέρα(protostar). Οι βαρυτικές δυνάμεις οι οποίες τον δημιούργησαν συνεχίζουν να δρούν με αποτέλεσμα τη διαρκή συστολή του. Η πίεση στο εσωτερικό του αυξάνει αλλά όχι τόσο ώστε να ανασταλεί η συρρίκνωση διότι συνεχίζει να ακτινοβολεί γεγονός που εμποδίζει την ανάλογη αύξηση της θερμοκρασίας. Η κατάρρευση συνεχίζεται για εκατομμύρια χρόνια. Στο διάγραμμα Hertzpurg-Russel οι πρωτοαστέρες διανύουν τα μονοπάτια Hayashi που είναι σχεδόν κατακόρυφες γραμμές πριν καταλήξουν στην κύρια ακολουθία.

Είσοδος στην Κύρια Ακολουθία

Κάποια στιγμή η θερμοκρασία του φτάνει τους 10^7 βαθμούς Kelvin η δε πυκνότητά του τα 10gr/cm3. Οι πυρηνικές αντιδράσεις ξεκινάνε με τον κύκλο πρωτονίου-πρωτονίου, το υδρογόνο μετατρέπεται σε ήλιο, οι απώλειες ενέργειας λόγω ακτινοβόλησης αναπληρώνονται και ο αστέρας σταθεροποιείται. Έχει πλέον εισέλθει στο στάδιο της Κύριας Ακολουθίας και θα παραμείνει σ' αυτή την κατάσταση αυξημένης σταθερότητας για αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια, χρονικό διάστημα το οποίο εξαρτάται αποκλειστικά από τη μάζα του. Θα πρέπει να τονιστεί δε ότι αστέρες μεγάλης μάζας και άρα και μεγάλης λαμπρότητας εξελίσσονται πολύ πιο γρήγορα.

Ερυθροί γίγαντες

Τελικά το υδρογόνο του πυρήνα εξαντλείται και δημιουργείται ένας πυρήνας ηλίου (He) στην επιφάνεια του οποίου η καύση του υδρογόνου συνεχίζεται. Ο πυρήνας αυξάνει διαρκώς τη μάζα του, συστέλλεται λόγω βαρυτικών δυνάμεων και η θερμοκρασία του αυξάνεται. Συμπέρασμα: ο πυρήνας γίνεται μικρότερος, πυκνότερος και θερμότερος.

Τα υπερκείμενα στρώματα υδρογόνου όμως, θερμαινόμενα από τον πυρήνα διαστέλλονται και ψύχονται. Έτσι, ο υπόλοιπος αστέρας γίνεται αραιότερος και ψυχρότερος. Μόλις προέκυψε ένας ερυθρός γίγαντας με διάμετρο σαράντα περίπου φορές την ηλιακή, χαμηλή επιφανειακή θερμοκρασία (3000-4000 Kelvin) και μεγάλη λαμπρότητα.

Κατά τη διάρκεια της συστολής του πυρήνα η θερμοκρασία του φτάνει πλέον τους 10^8 Kelvin με αποτέλεσμα να ξεκινήσει η μετατροπή του ηλίου σε άνθρακα μέσω της αντίδρασης του τριπλού ηλίου. Το όλο φαινόμενο είναι τελικά εξώθερμο και μάλιστα έντονα! Η ύπαρξη των αστέρων άνθρακα επιβεβαιώνει την ως άνω προτεινόμενη θεώρηση. Ειδικότερα η ύπαρξη των αστέρων άνθρακα που είναι ταυτόχρονα και φτωχοί σε υδρογόνο αποτελεί μία σοβαρότατη θετική ένδειξη όσον αφορά την ορθότητα του προτεινόμενου μοντέλου εξέλιξης. Οι αστέρες αυτοί απώλεσαν τα πλούσια σε υδρογόνο κελύφη τους με αποτέλεσμα το εσώτερο στρώμα ηλίου να αποτελεί πλέον την επιφάνειά τους.

Η συνεχής αύξηση της πυκνότητας του πυρήνα του ερυθρού γίγαντα, προκαλεί μια μορφή εκφυλισμού στην ύλη του, όπου πλέον η πίεση εξαρτάται αποκλειστικά από την πυκνότητα και όχι από τη θερμοκρασία. Εν τω μεταξύ με τον διαρκή σχηματισμό όλο και βαρύτερων στοιχείων ο πυρήνας συμπιέζεται και θερμαίνεται ενώ η πίεση ελαττώνεται ασταμάτητα. Η όλη πορεία είναι ασταθής και επιταχυνόμενη , τελειώνει δε με την πυρηνική αντίδραση εκτόνωσης που είναι γνωστή ως λάμψη ηλίου.

Υπεργίγαντες

Κι εδώ συμβαίνει το εξής "παράδοξο": η ύλη του πυρήνα λόγω υπερβολικής αύξησης της θερμοκρασίας μεταπίπτει απο την εκφυλισμένη κατάσταση στη συνήθη, όπου και η πίεση εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Το εσωτερικό του διαστέλλεται, η θερμοκρασία του μειώνεται, οι πυρηνικές αντιδράσεις επιβραδύνονται και τελικά σταθεροποιούνται. Μόλις γεννήθηκε ένας υπεργίγαντας.

Μεταβλητοί Αστέρες

Ουσιαστικά έχουμε έναν supergiant η εσωτερική δομή του οποίου αποτελείται από δύο ανεξάρτητα μεταξύ τους κελύφη καύσης: το εσωτερικό κέλυφος με το ήλιο να μεταστοιχειώνεται σε άνθρακα και το εξωτερικό όπου συνεχίζει να λαμβάνει χώρα μετατροπή υδρογόνου σε ήλιο. Στην περίπτωση αυτή μπορεί να εμφανισθεί έντονη παλινδρομική κίνηση του αστέρα στο διάγραμμα H-R η οποία συνεπάγεται εξίσου έντονη και διαρκή μεταβολή του φασματικού τύπου του αστέρα. Έχουμε πια έναν μεταβλητό αστέρα (variant star).

Η κατάρρευση συνεχίζεται

Οι πυρηνικές αντιδράσεις κατορθώνουν να αναστείλουν τη βαρυτική κατάρρευση αλλά απαραίτητη προϋπόθεση γι' αυτό είναι να υπάρχουν καύσιμα. Τα πυρηνικά αποθέματα ενός αστέρα δεν είναι όμως απεριόριστα. Στο κέντρο των αστέρων της κύριας ακολουθίας τόσο των γιγάντων όσο και των υπεργιγάντων, η θερμοκρασία κυμαίνεται στους 10^6 - 10^9 Kelvin, ενώ η πυκνότητα από 10^-6 έως 10^2 gr/cm3. O ιονισμός των ατόμων είναι πλήρης. Η ύλη βρίσκεται σε κατάσταση πλάσματος δηλαδή μίας σούπας από πυρήνες και ηλεκτρόνια. Οι αλληλεπιδράσεις περιορίζονται στις μεταξύ τους κρούσεις. Ο ιονισμός των ατόμων όμως, διατηρείται ακόμη κι αν ο αστέρας ψυχθεί σε θερμοκρασία χαμηλότερη από τη θερμοκρασία ιονισμού, γι αυτό τον λόγο άλλωστε ονομάζεται και ιονισμός πίεσης. Τα ηλεκτρόνια κατανέμονται ανάμεσα στους πυρήνες, η δε όλη κατάσταση παρουσιάζει μεταλλική δομή!!! Η παραγόμενη ενέργεια μεταφέρεται πλέον περισσότερο λόγω αγωγιμότητας παρά με ακτινοβολία ή μεταφορά. Το ηλεκτρονικό αέριο βρίσκεται σε κατάσταση πλήρους εκφυλισμού με τα ηλεκτρόνια να έχουν μεταπέσει στις χαμηλότερες δυνατές ενεργειακές στάθμες. Οι ανώτερες στάθμες είναι εντελώς κενές.

Λευκοί Νάνοι

Λευκοί Νάνοι, photo by NASA

Σύνθετοι υπολογισμοί αποδεικνύουν ότι για να καταστεί δυνατή η αναστολή της κατάρρευσης από την πίεση των εκφυλισμένων ηλεκτρονίων θα πρέπει η μάζα του αστέρα να μην ξεπερνά τις (όριο Chandrasekhar). Ο αστέρας είναι ένας λευκός νάνος. Περαιτέρω εξέλιξη στους λευκούς νάνους δεν είναι δυνατή, καθώς αυτοί ψύχονται διαρκώς με εκπομπή ακτινοβολίας. Ο Ήλιος είναι προορισμένος να μετατραπεί τελικά σε λευκό νάνο.

Έστω τώρα ότι ο red giant έχει μάζα μεγαλύτερη από . Ο πυρήνας ηλίου μετασχηματίζεται σε πυρήνα άνθρακα κι αυτός με τη σειρά του σε πυρήνα οξυγόνου και ούτω καθ'εξής! Ο σχηματισμός κάθε φορά ενός νέου πυρήνα με συστολή-θέρμανση-σχηματισμό νέων βαρύτερων στοιχείων συνεχίζεται. Τελικά ο αστέρας παρουσιάζει την εξής εικόνα:

Στο κέντρο υπάρχει ένας πυρήνας με βαριά στοιχεία κυρίως σίδηρο και νικέλιο, που περιβάλλεται από φλοιούς με όλο και ελαφρύτερα στοιχεία μέχρι την εξωτερική του επιφάνεια όπου "συχνάζουν" το ήλιο και το υδρογόνο.

Κάπου εδώ έφτασε στο όριο ικανότητας ισορροπίας καθόσον το Νικέλιο και ο Σίδηρος είναι τα πλέον ευσταθή στοιχεία στη φύση. Για όσο καιρό η μάζα του πυρήνα είναι σχετικά μικρή, τίποτε δε συμβαίνει. Μόλις όμως η μάζα του και η πυκνότητά του ξεπεράσουν τα 10^10 gr/cm3 o πυρήνας αρχίζει να καταρρέει θερμαινόμενος στους 10^10Κ , χίλιες φορές θερμότερος από τον περιβάλλοντα μανδύα. Η καταστροφή συμβαίνει σε χρόνο δευτερολέπτου! Η μηχανική ισορροπία του υπόλοιπου αστέρα συμπαρασύρεται στην καταστροφή, τα εξωτερικά στρώματα πέφτουν προς το κέντρο, κάτι που σηματοδοτεί την απαρχή νέων πυρηνικών εκρήξεων.Ουσιαστικά έχουμε τη διάδοση μίας διαταραχής με ταχύτητα της τάξεως των 10^7 m/sec.Θα χρειαστεί λίγα δευτερόλεπτα για να διαδοθεί στο εσωτερικό του αστέρα.Αν τώρα κατά τη διάρκεια της συστολής του πυρήνα,αυξηθεί ταχύτατα η θερμοκρασία του ,θα ήταν ίσως δυνατή η προσαρμογή του αστέρα στις νέες συνθήκες. Η απότομη αύξηση της θερμοκρασίας συμβαίνει καθώς η πτώση των εξωτερικών στρωμάτων απελευθερώνει φοβερά ποσά θερμικής ενέργειας,αλλά πρέπει με κάποιο τροπο να απαχθεί η ενέργεια αυτή. Προτείνονται δύο τρόποι: α)της φωτοδιάσπασης και β) των νετρίνων-αντινετρίνων.

Φωτοδιάσπαση :φωτόνια υψηλής ενέργειας διασπούν τους πυρήνες του σιδήρου στα νουκλεόνια τους:

Η απορρόφηση αυτής της ενέργειας σταματά τη θέρμανση του πυρήνα του οποίου και η βαρυτική κατάρρευση συνεχίζεται.

Καινοφανείς - Υπερκαινοφανείς

Νετρίνα-αντινετρίνα: συνήθως η ύλη είναι διαφανής στα νετρίνα. Όχι όμως στις θερμοκρασίες και στις πυκνότητες αυτές: θερμοκρασία 4*10^10 Κelvin και πυκνότητα 3*10^8 Kgr/cm3. O πυρήνας παύει να είναι διαφανής , θερμαίνεται καθώς οι αντιδράσεις αλληλεπίδρασης νουκλεονίων και νετρίνων συμβαίνουν κατά την αντίθετη φορά, ισορροπεί, η συστολή του σταματάει, η θερμοκρασία του εκτινάσσεται στα ύψη, ο μανδύας ισορροπεί, επιπλέον θερμαίνεται, έντονες πυρηνικές αντιδράσεις συμβαίνουν, κομμάτια του εκτινάσσονται βίαια και εχουμε ένα NOVAE ή ένα SUPER NOVAE.

Πλανητικοί Νεφελοειδείς

Kατά τη διάρκεια της εξέλιξης ενός ερυθρού γίγαντα είναι δυνατόν ο αστέρας να χάσει μέρος της μάζας του με εκτόξευση τμήματος των εξωτερικών του στρωμάτων. Ιδιαίτερα προς το τέλος της συνύπαρξης των κελυφών υδρογόνου και ηλίου είναι πιθανή η ομαλή αποκόλληση του εξωτερικού κελύφους με αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός πλανητικού νεφελοειδούς(planetary nebula). Προκύπτει λοιπόν συνδυασμός ενός κεντρικού θερμού πυρήνα (Τ=2,5*10^4 Κ) και ενός διαστελλόμενου περιβλήματος , πλούσιου σε υδρογόνο, με διάμετρο 0.3 έτη φωτός, θερμοκρασίας 10^4 Κ και πυκνότητας 10^3-10^5 ατόμων/cm3. H μέση μάζα του κεντρικού αστέρα είναι ενώ του περιβλήματος .

Μηχανισμός αποκόλλησης

Κατά τη διάρκεια της δημιουργίας ενός υπερκαινοφανούς η ταχύτητα διαστολής του κελύφους είναι περίπου 1000Km/sec. Κατά τη διάρκεια της δημιουργίας ενός νεφελοειδούς η αποκόλληση συμβαίνει με ταχύτητα 30Km/sec. Ο κεντρικός πυρήνας κατά πάσα πιθανότητα εξελίσσεται προς τη δημιουργία λευκού νάνου. Τρεις βασικές αιτίες του φαινομένου είναι "σίγουρα" γνωστές: 1) Λόγω του ειδικού χαρακτήρα της αστάθειας αναπτύσσονται παλμικές δονήσεις. 2) Ο ιονισμός του υδρογόνου κάτω από τη φωτόσφαιρα του αστέρα δημιουργεί μία αστάθεια μεταφοράς (convective instability) 3) Η λαμπρότητα του γεννήτορα γίγαντα είναι τόσο μεγάλη που η πίεση της ακτινοβολίας προκαλεί αποκόλληση. Δε χρειάζεται να τονιστεί το γεγονός της συνύπαρξης και των τριών αιτίων!

Αστέρες Νετρονίων

Αστέρας Νετρονίων, Διαγραμματική παράσταση

Ο πυρήνας του αστέρα αποτελείται κυρίως από νετρόνια. Και καταρρέει συνεχώς. Η Νευτώνεια θεώρηση περί βαρύτητας δε μας καλύπτει πλέον. Η εξίσωση υδροστατικής ισορροπίας του αστέρα αντικαθίσταται από ακριβέστερη σχετικιστική όπου και καθίσταται προφανές ότι η διατήρηση της ισορροπίας είναι πιό δύσκολη υπόθεση από όσο πιστεύαμε όταν προσεγγίζαμε το θέμα με τη βοήθεια της κλασσικής φυσικής (νευτώνειας).

Ακριβέστεροι υπολογισμοί των Baade και Zwicky, καθώς και των Oppenheimer και Volkoff δείχνουν ότι είναι δυνατή η ισορροπία αστέρα με μάζα το πολύ διπλάσια της ηλιακής. Όταν δεν επαρκεί η πίεση των εκφυλισμένων ηλεκτρονίων τότε η κατάρρευση συνεχίζεται, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια συνενώνονται σε νετρόνια και προκύπτει αστέρας ο οποίος αποτελείται στο εσωτερικό του σχεδον εξ' ολοκλήρου από νετρόνια, ενώ φυσικά στην επιφάνειά του, πρωτόνια και ηλεκτρόνια βρίθουν! Δημιουργείται λοιπόν μια πρόσθετη πίεση, η πίεση εκφυλισμένων νετρονίων. Ένας αστέρας νετρονίων γεννήθηκε.

Pulsars

Στους αστέρες νετρονίων συμπεριλαμβάνονται και τα pulsars. Οι παλλόμενοι αστέρες εκπέμπουν έντονη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με περίοδο 0.3 - 3 δευτερόλεπτα. Πιστεύουμε ότι πρόκειται για αστέρες νετρονίων με εντονότατο Μαγνητικό Πεδίο.

Η περίοδος τους αυξάνει σταθερά με ρυθμό 10^-6 sec/month γεγονός που δε μας παραξενεύει ιδιαίτερα αν ληφθεί υπόψιν η συνεχής εκπομπή ενέργειας. Από την άλλη βέβαια απότομες ελαττώσεις στην περίοδο οφείλονται σε εξίσου απότομες κατακρημνίσεις του επιφανειακού φλοιού (αρχή διατήρησης της στροφορμής).

Εξήγηση του φαινομένου των pulsars

Χρησιμοποιείται το μοντέλο της θερμής κηλίδας (hot spot) γνωστό και ως μοντέλο της κεκλιμένης περιστρεφόμενης πηγής (oblique rotator). Τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια του επιφανειακού φλοιού επιταχυνόμενα στη περιοχή των μαγνητικών πόλων εκπέμπουν τεράστιες ποσότητες ηλεκ/μαγν. ακτινοβολίας, οι οποίες γίνονται αντιληπτές από έναν παρατηρητή, κάθε φορά που η Γη βρίσκεται κατά μήκος μίας διαδρομής.

Μελανές Οπές

Μελανή Οπή

To επόμενο πιθανό βήμα κατά τη διάρκεια της εξελικτικής πορείας ενός αστέρα είναι η δημιουργία μίας μελανής οπής. Η ύπαρξη ενός ανώτατου ορίου όσον αφορά τη μάζα ενός ευσταθούς αστέρα νετρονίων γεννά το εξής δίλημμα: τί θα συμβεί αν α) ο αστέρας απωλέσει μεν το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του αλλά η μαζα του παραμένοντος πυρήνα είναι μεγαλύτερη από δύο ηλιακές μάζες, ή β) αν η ταχύτητα κατάρρευσης του πυρήνα είναι πάρα πολύ μεγάλη, έστω κι αν η μάζα του είναι μικρότερη των δύο ηλιακών, ή γ) ο αστέρας νετρονίων συγκρουστεί με ποσότητα μάζας τόση ώστε η συνολική να υπερβεί την κρίσιμη μάζα ;

Στις περιπτώσεις αυτές, δεν υπάρχει γνωστή φυσική δύναμη ικανή να αναστρέψει την καταληκτική ροή και να αναστείλει την ολοκληρωτική κατάρρευση. Ο αστέρας συρρικνώνεται ασταμάτητα, η δε ένταση του βαρυτικού του πεδίου αυξάνεται σε απίστευτο βαθμό. Η καμπύλωση του τετρασδιάστατου χωροχρονικού συνεχούς δεν επιτρέπει ούτε καν στο φως να διαφύγει. Ο αστέρας καθίσταται αόρατος. Έχει ήδη μετατραπεί σε μια μελανή οπή.

Τρόποι σχηματισμού Μελανών Οπών

• α) Καταστροφική κατάρρευση ενός αστέρα αρκετά μεγάλης μάζας: οι μελανές οπές που προκύπτουν μέσω αυτής της διαδικασίας έχουν μάζα ίση μέχρι και πενήντα ηλιακές μάζες και λέγονται αστρικές μελανές οπές. Αστέρας με μάζα μεγαλύτερη των 50Μηλ. δεν μπορεί να υπάρξει λόγω αστάθειας (pulsational instability) άρα αυτό είναι και το όριο μάζας των αστρικών μελανών οπών. Αν τώρα λάβουμε υπόψιν ότι ο ρυθμός εμφάνισης υπερκαινοφανών στο γαλαξία ειναι 1-2 ανά αιώνα, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι το πιθανό πλήθος των αστρικών μελανών οπών στον γαλαξία μας είναι περίπου 10^8.

• β) Βαρυτική κατάρρευση ενός αστρικού σμήνους: κατά τη διάρκεια της εξέλιξης ενός αστρικού σμήνους η πυκνότητα της κεντρικής περιοχής αυξάνει συνεχώς. Στο κέντρο ενός πολύ πυκνού αστρικού σμήνους η συμπύκνωση αυτή είναι δυνατόν να οδηγήσει σε συνένωση (coalesce) των αστέρων και στον σχηματισμό ενός υπερμεγέθους σώματος (supermassive object) με την κατάρρευση του οποίου προκύπτει μελανή οπή (massive black hole) με πιθανή μάζα 10^5 - 10^9 ηλιακές ή μίας μικρότερης με μάζα 10^2 ηλιακές, στο κέντρο του σμήνους. Ενδείξεις ύπαρξης μελανών οπών μεγάλης μάζας συναντάμε 1) στον πυρήνα του ιδιάζοντος ελλειπτικού ραδιογαλαξία Μ87 , 2) στο κέντρο του γαλαξία μας στη ραδιοπηγή Sagittarius A West και 3) σε οκτώ τουλάχιστον σφαιρωτά σμήνη που εκπέμπουν ακτίνες Χ.
• γ) Πρωταρχικές μελανές οπές (primordial black holes): η λιγότερο πιθανή εκδοχή σχηματισμού. Κατά τα πρώτα στάδια δημιουργίας του σύμπαντος, έντονες τοπικές ανομοιογένειες της πυκνότητας πιθανώς να επέτρεψαν τη δημιουργία μελανών οπών. Πάντως, μικροσκοπικές μελανές οπές (mini holes) με μάζα το πολύ 10^-5gr και διαστάσεις 10^-33cm είναι δυνατό να δημιουργήθηκαν με τον τρόπο αυτό.

Είναι φανερό ότι η παρατήρηση μίας απομονωμένης μελανής οπής είναι δύσκολη υπόθεση.