دکتر ریموند رخشانی *
مقاله و فایل صوتی سی و چهارم:
چرخه ی زندگی ستارگان[۱]
تقاضایی بزرگ از شما دوست عزیز و اندیشمند محترم ) خارج از ایران(
اگر سلسله فایل های صوتی و مقالات علمی “سرشت علم” برای شما سودمند بوده اند و هستند، خواهشمندم در ازای شنیدن هر فایل صوتی) شاید بعنوان شهریه نام نویسی برای کلاس های دروس علمی (، با ارسال هر آنچه برای شما مقدور است، به حساب بانکی زیر، مرا یاری دهید.
PayPal نام موسسه مالی
www.paypal.me/rrakhshani شناسه حساب در موسسه مالی
با پشتیبانی شما، می توانم این کار سنگین علمی – پژوهشی را، هرچه دقیق تر و جامع تر، با دغدغه کاری و مالی کم تری ادامه دهم.
پیشاپیش از لطف و حمایت شما برای پیشبرد پروژه “سرشت علم” صمیمانه سپاسگزارم.
با شادباش فرا رسیدن سال ۲۰۱۹ به هموطنان مسیحی.
با احترام، ر. رخشانی
خُورشید مَنبعِ بی نهایتی برای انرژی نمی تواند باشد و مُمکن نیست که تا ابَد بسوزد و روز به روز بخشی از جرم اش کاهش می یابد[۲].
پژوهش های پیرامونِ خورشید همراه با مشاهداتِ علمی ای دیگر در مورد زندگی و مرگِ ستارگانی دورتر سرنوشتِ نهاییِ منظومه ی خورشیدی را نیز آشکار می کند.[۳]
خورشید سیاره ای بسیار معمولی است[۴] که در میانه ی رشته یا ردیفِ اصلیِ نمودار هِرتزسشپرونگ – راسل قرار گرفته است[۵] و بدلیلِ نزدیکی اش با ما شاید بیش از هر سیاره ی دیگری موضوعِ پژوهش و مطالعه بوده است[۶].
- خورشید کره ای عمدتاً ساخته شده از هیدروژن است که شعاعِ آن تقریبا ۷۰۰۰۰۰ کیلومتر است.
- سطحِ مقطع خورشید لایه های بسیار مشخصی دارد و اکثرِ فرآیندِ هیدروژن سوزی در هسته یا مغزه یا مرکزِ آن[۷] که ۱۰% حجمِ خورشید را تشکیل می دهد انجام می شود.
- انرژی در قسمت های میانی یا درونی[۸] خورشید اغلب بشکل تابش به بیرون تراگسیل یا انتقال داده می شود.
- انرژی در لایه های پلاسمایی پر هیدروژن[۹] بیرونیِ خورشید که حدودا ۲۰۰۰۰۰ کیلومتر ضخامت دارند از طریقِ وزشِ همرفتی یا هم برداریِ گرمایی[۱۰] به بیرون منتقل می شود.
- مطالعه در موردِ خورشید از طریقِ بادهایِ خورشیدی هم انجام می شود؛ یعنی مطالعه ی جریانِ مستمرِ یون های هیدروژن و هلیومِ[۱۱] تابیده یا گسیل شده از خورشید که با میدان الکترومغناطیسی کره ی زمین درهم کنش دارند.
آشناییِ نزدیک و دانشِ دانشمندان در موردِ خورشید آنها را قادر می سازد تا پیرامونِ چرخه ی زندگیِ دیگر ستارگان نیز مدل های مجازی بسازند[۱۲].
- مدل های کامپیوتری در موردِ زندگی ستارگان آشکار می سازد که کشش درون گرا یا نیرویِ درون گرای گرانش یا جاذبه ی ستارگان[۱۳] با نیروی برون گرای رادیوآکتیوِ درهم گدازِ هسته ای[۱۴] در همه ی ستارگان به نحوی مستمر در تعادل و در رویارویی اند. این مدل های مجازیِ، اطلاعاتِ علمی در موردِ حوزه های مختلف را، منجمله فیزیکِ هسته ای، فیزیکِ پلاسمایی و مکانیکِ مایعات را درهم می کنند و برایِ مدل سازی مورد استفاده قرار می دهند.
- مدل سازان با بکارگیری سیستمی معادلاتی، خورشید را همچون کره ای با لایه هایِ درونیِ دایره وارِ هم مرکز[۱۵] تصویر می کنند. هر لایه تابعِ قانونِ ترمودینامیک بوده، دما یا درجه ی حرارت، فشار و ترکیب ویژه ی خود را دارد و انرژی در چنین سیستمی حفظ می شود[۱۶].
نتیجه ی عمده ی علمیِ همه ی مدل ها دوگانه است:
- چهار و نیم میلیارد (۴۵۰۰۰۰۰۰۰۰) سال پیش بهنگام شکل گیریِ منظومه ی خورشیدی، خورشید از امروز روشنایی کمتری داشت و انرژیِ ساطع شده از آن حدودا ۷۰% مقدار کنونی آن بود.
- خورشید فرآیندِ هیدروژن سوزی خود را برای چند میلیارد سال دیگر ادامه خواهد داد و روشنایی آن بتدریج رو به افزایش خواهد بود.
خورشید چند میلیارد سال درخشیده است و درخششِ خود را برای چند میلیارد سالِ دیگر ادامه خواهد داد.
- آن سیاره هم مانند دیگر ستارگانی که در رشته یا ردیفِ اصلیِ نمودارِ هرتزسشپرونگ – راسل قرار دارند، بدلیل فرآیندِ هیدروژن سوزی و برون دهی انرژی در آن ردیف قرار گرفته اند.
- ستارگانِ دیگر هم بر آن نمودار از قبیل “سرخ غولها یا غول های سرخ[۱۷] ” (و “کوتوله های سفید[۱۸]” نشانگر آن اند که فرآیندهای دیگری هم در چرخه ی زندگی ستارگان دخیل اند.[۱۹]
ستارگان نهایتاً سوختِ هیدروژنی مغزه یا مرکزِ خود[۲۰] را به پایان می رسانند و بدلیلِ درهم گدازی اشبأعِ هلیومی[۲۱] پیدا می کنند. در فازِ آخر زندگیِ خورشید نیز تراکمِ بالایی از هلیوم در مغزه یا مرکز آن کره خواهد بود و هیدروژن سوزی به لایه های بیرونی تر تراگسیل یا انتقال پیدا خواهد کرد. افزایشِ هیدروژن سوزی در لایه هایِ بیرونی تر باعث می شود تا خورشید انبساط پیدا کند و بالاخره کره ی عطارد و کره ی زهره را دربرگیرد[۲۲].
- در جایی در این فرآیند کره ی زمین دیگر قابلِ سکونت نخواهد بود[۲۳].
- در آن پروسه خورشید انرژی بیشتری را از خود ساطع خواهد کرد اما سطحِ خورشید بسیار بسیار بزرگ تر خواهد بود و نتیجتاً رو به سردی گرایش پیدا کرده و نهایتاً به یک “سرخ غول” تبدیل خواهد شد.
- با بپایان رسیدن این فرآیند، خورشید از جایگاهِ خود بر خطِ رشته یا ردیفِ اصلی نمودار هرتزسشپرونگ – راسل[۲۴] تغییرمکان داده به قسمتِ بالایی دستِ راست نمودار (جایگاه سرخ غول ها) انتقال پیدا خواهد کرد.
بدلیل هیدروژن سوزی در هسته یا مرکزِ کرات، مرکزِ آنها بسیار داغ تر می شود و باقیمانده ی هیدروژن آنها سریع تر مصرف می شود. هسته یمرکزیِ هلیوم در مرکز کرات هم درهم گداخته شده هسته ی مرکزی سنگین تری را شکل می دهد. اغلب در فرآیندِ هلیوم سوزی، سه هسته ی مرکزی هلیوم – ۴ درهم گداخته شده هسته ی مرکزی کربن – ۱۲ را می سازند.
- شکل گیریِ کربن در واقع پایانِ واکنش های درونی در مرکزِ خورشید است. هنگامیکه مرکزِ خورشید تبدیل به کربن بشود، فرآیندهای هسته ای در مرکز خورشید رو به آهستگی می گذارد. چنین پروسه ای نیروی برون گرا را تضعیف کرده، آن کره بدلیل نیروی جاذبه ی بسوی درونِ خود[۲۵] شروع به رمبش و فروپاشی[۲۶] می کند و منقبض می شود و نهایتاً کوچکتر شده تبدیل به سیاره ای از نوع “کوتوله های سفید” می شود و ارزیابی دانشمندان این است که به کره ای انبوه[۲۷] و به اندازه و قطر کره ی زمین اما بسیار بسیار سنگین تبدیل می شود.
- نهایتاً کلِّ انرژیِ خروجی از خورشید تنها شاید یک هزارمِ میزانِ امروزی آن باشد و خورشید آنچنان کوچک شده است که درجه ی حرارتِ سطح آن ده ها هزار درجه خواهد بود.
- خورشید سپس به آهستگی و تدریجاً با خروجِ انرژی باقیمانده در آن رو به سردی می گراید.
کوچکترین ستارگانِ طبقه بندی شده[۲۸] در آن مدل که تقریبا یک دهمِ اندازه ی خورشید هستند “کوتوله های قهوه ای[۲۹]” خوانده می شوند. این ستارگانِ کوچک هیدروژنِ درونیِ خود را بسیار آهسته می سوزانند و بنابراین برخلافِ ستارگان دیگر نه آنچنان بسیار داغ و نه چندان منبسط می شوند.[۳۰]
- این ستارگان در منتهی الیه پایینی و دست راست[۳۱] “رشته یا ردیفِ اصلی ستارگان” در نمودارِ هرتزسشپرونگ – راسل قرار دارند و بدرخشش آهسته و ضعیفِ خود شاید برای میلیاردها سال ادامه خواهند داد.
- چون درخششِ “کوتوله های قهوه ای” و انرژیِ ساطع شده از آنها بسیار ضعیف است نمی توان با تلسکوپ هایِ زمینی[۳۲] آنها را ردیابی و مشاهده کرد.
ستارگانی که چندین برابر خورشید هستند سرنوشت های بسیار متفاوتی دارند[۳۳].
- ستاره ای تقریبا ده برابر و کمتر از جرم خورشید سوختِ هیدروژنی خود را شاید حدودا در ۱۰۰ میلیون سال بسوزاند و اغلب چندین لایه ی دایره وارِ هم مرکز[۳۴] دارد.
- با ادامه ی فرآیندهای هیدروژن سوزی و هلیوم سوزی لایه های عمیقی از عناصری سنگین تر از قبیل اکسیژن – ۱۶، نئون – ۲۰، منگنز – ۲۴ و عناصری سنگین تر تا آهن – ۵۶ در لایه های درونی تر آن کرات شکل می گیرند. برخی از آن فرآیندها شاید تنها در چند دقیقه اتفاق بیافتند.
- آهن – ۵۶ پایدارترینِ عناصر است و به گفته ای می توان آن را خاکسترِ نهایی هسته ای نامید. هیچ انرژیِ هسته ای را به هیچ طریقی نمی توان از آهن – ۵۶ استخراج نمود – چه از طریقِ درهم گدازی و چه از طریق ازهم شکافتی. وقتی که هر ستاره ای در مراحلِ نهایی درهم گدازیِ خویش به عنصر آهن می رسد، همه ی آتش های هسته ای اش خاموش می شوند و دیگر نیرویِ برون گرایی باقی نمانده و زیر فشارِ نیروی گرانش یا جاذبه ی درون گرای[۳۵] خود شروع به رمبش و فروپاشی درونی می کند.
- هنگامیکه یک ستاره، اغلب در یک لحظه، رمبش و فروپاشی درونی (درون پاشی) می کند تبدیل به جرمی بسیاربسیار انبوه و چگال یا متراکم و بسیاربسیار داغ می شود که با قدرتی غیرقابل تصور منفجر می شود، یعنی پدیده ای که ابرنواختر یا سوپرنووا[۳۶] خوانده می شود[۳۷].
- در آن فرآیند هسته هایی اتمی با اندازه های مختلف از همه ی عناصر جدول، در لحظه ای تولید می شوند. یعنی در حین رمبش و فروپاشی لایه های بیرونی ستاره به طرف هسته یا مرکز، اتم ها آنچنان حرارت و سرعتی می گیرند و با چنان توان یا شدتی با هسته یا مرکز برخورد می کنند که درهم گدازی ای فراتر از آهن رخ می دهد و عناصر سنگین تر از آهن برای مدت بسیار کوتاهی شکل می گیرند. این برخورد آنچنان پر حرارت و شدید است که اتم ها در همه ی مسیرهای ممکن به فضا پرتاب می شوند و اینها دانه هایی هستند که ستاره ها در کهکشان های بعدی[۳۸] در فرآیند شکل گیری خود از آنها بهره می گیرند. بنابراین ستارگان کارخانه های تولید عناصر اند و همگی از عنصر هیدروژن شروع شده اند[۳۹]. درهم گدازی و ازهم شکافتی آن عنصر اولیه یا ازلی[۴۰] یعنی هیدروژن، همه ی عناصر دیگر را هم نهشته [۴۱] و تولید می کند.
اغلب وقتی ستاره ای دچارِ رمبش و فروپاشیِ درونی می شود جسمی کوچک تر از خود را چون ردپایی بجای می گذارد که مکانِ ستاره ی پیشین را نشان می دهد.
- اما وقتی ستاره ای ده برابر و حدودا بیشتر از جرمِ خورشید رمبش و فروپاشیِ درونی (درون پاشی) می کند جسمی به نحوی باورنکردنی و بسیار بسیار چگال یا متراکم[۴۲] می سازد که در آن الکترون ها و پروتون ها درهم می شوند[۴۳] و نوترون می سازند (که پروسه ای درست برعکس واپاشی بتایی است.)
- اغلب چنین ستاره ی متشکل از نوترون ها را ستاره ی نوترونی [۴۴] می نامند که برای نمونه می تواند مثلا قطری حدودِ ۱۵ کیلومتر و وزنی بیشتر از وزن خورشید داشته باشد.
- ستاره های نوترونی[۴۵] بی نهایت سریع بدور خود می چرخند، میدان الکترومغناطیسی بسیار قوی دارند و امواجِ رادیوییِ بسیار قوی می فرستند. این منابعِ رادیویی بر روی زمین به نظر می رسند که هزاران بار در ثانیه می تپند[۴۶] . ردیابی این تپش ها (تپنده ها یا تپ اخترها[۴۷]) در دهه ی ۶۰ بعنوانِ نشانی از علایمِ موجوداتِ غیرزمینی تصور می شدند[۴۸].
وقتی ستاره ای چندین ده برابر (سی برابر و بیشتر) جرمِ خورشید رمبش و فروپاشیِ درونی (درون پاشی) می کند آنچنان نیرویِ گرانشی یا جاذبه ی بی نظیر و بی نهایتی دارد که همه ی جرم اش به یک نقطه که سیاه چاله[۴۹] نامیده می شود[۵۰] رمبش و فروپاشی درونی می کند[۵۱].
- سیاه چاله به اندازه ای چگال یا متراکم است که هیچ چیز، حتّی نور، از آن گذر نمی کند[۵۲].
- با اینکه خودِ سیاه چاله قابل رویَت نیست، رُمبش یا سقوطِ ستارگانِ جانبی[۵۳] و مواد بین ستاره ای بدرون آن را دانشمندان مشاهده می کنند[۵۴].
- با استفاده از روش ها و ابزارهای پیچیده تری از قبیلِ عدسی های جاذبه ای یا عدسی های گرانشی[۵۵] خم شدگیِ نور[۵۶] به طرف سیاه چاله مشاهده می شود[۵۷].
چرخه ی زندگی ستارگان
Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.
Bambi, Cosimo. Introduction to General Relativity: A Course for Undergraduate Students of Physics. Springer, 2018.
Zeilik, M. Astronomy: The Evolving Universe, Sixth Edition. New York: Wiley, 1991.
Kaku, Michio. The Future of Humanity: Terraforming Mars, Interstellar Travel, Immortality, and Our Destiny Beyond Earth. Doubleday, 2018.
Dufay, Jean. Introduction to Astrophysics: The Stars. Dover Publications, 2012.
Oerter, Robert. The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume, Reprint Edition, 2006.
core
interior
hydrogen-rich plasma layer
convection
stream of hydrogen and helium ions
Lewis, Geraint, F., and Barnes, Luke, A., and Schmidt, Brian. A Fortunate Universe: Life in a Finely Tuned Cosmos. Cambridge University Press, 2016.
force of gravity pulling inward
force of nuclear fusion pushing outward
concentric inner layers
Gould, Roy, R. Universe in Creation: A New Understanding of the Big Bang and the Emergence of Life. Harvard University Press, 2018.
Jastrow, Robert. Red Giants and White Dwarfs. W.W. Norton & Company, Inc. 1979.
Van Horn, Hugh, M. Unlocking the Secrets of White Dwarf Stars. Springer, 2015.
Jastrow, R. Red Giants and White Dwarfs. New York: Norton, 1990.
Hydrogen fuel of the core
concentration of helium
Mercury and Venus
uninhabitable
main sequence of stars on Hertzsprung-Russell Diagram
Clegg, Brian. Gravity: How the Weakest Force in the Universe Shaped Our Lives. St. Marton’s Press, 2012.
Collapses and shrinks
dense sphere
برای دریافت نیازهای ابزاری و شناخت ابعاد و مقیاس هایی که در این کتاب بدان ها پرداخته شده، نگاه کنید به:
http://htwins.net
Brown Dwarf
Ferris, T. Coming of Age in the Milky Way. New York: William Morrow, 1988.
extreme right lower corner
ground-based telescopes
Alves, Joao, F., and McCaughrean, Mark, J. The Origins of Stars and Planets: The VLT View. Springer, 2002.
concentric layers
inward force of gravity
Supernova
Branch, David., and Wheeler, Craig, J. Supernova Explosions. Springer, 2017.
Seeds for the succeeding galaxies
Hawking, Stephen. Brief Answers to the Big Questions. Bantam, 2018.
original element
synthesize
incredibly dense object
merge
neutron star
Haensel, P., and Potekhin, A. Y., and Yakovlev, D.G. Neutron Stars 1: Equation of State and Structure. Springer, 2010.
pulsate
pulsars
Lorimer, Duncan. Handbook of Pulsar Astronomy. Cambridge University Press, 2012.
black hole
Choquet-Bruhat, Yvonne. Introduction to General Relativity, Black Holes, and Cosmology. OUP Oxford, 2014.
Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. New York: Wiley, 1997.
Devorkin, David, H. and Smith, Robert, W. and Kirshner, Robert, P. The Hubble Cosmos: 25 years of New Vistas in Space. National Geographic, 2015.
adjacent stars
https://www.nature.com/articles/d41586-018-07538-z
gravitational lenses
bending of light
Dodleson, Scott. Gravitational Lensing. Cambridge University Press, 2017.
————————
—————–
* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:
من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی سیستمها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراوردههای نوین میباشد. در این سلسله از مقالات و فایلهای صوتی کوشش میکنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی کنم.