Αστρική Εξέλιξη

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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 1,4 ηλιακές μάζες (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 1.4 ηλιακές. 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.

Φωτόνια υψηλής ενέργειας διασπούν τους πυρήνες του σιδήρου στα νουκλεόνια τους:L Fe=13p + 4n

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