شناخت مقدماتی ستاره‌‌ها

 منبع :

 نويسنده : مریم وزیرنیا    ایمیل : Maryam.vazirnia@gmail.com

 نوشته شده در تاريخ : 1396/07/26   ( آخرين ويرايش : 1396/08/13 )

چرا ستاره‌ها می‌درخشند؟

در پهنه بی‌کران آسمان در مکانی به دور از آلودگی نوری و آلودگی جوی، با چشم غیرمسلح می‌توانید تعداد بی‌شماری ستاره و گاهی تعداد انگشت‌شماری سیاره را مشاهده کنید که هردو دارای روشنایی هستند. البته این درحالی است که ستاره‌ها خود منبع نورند اما سیاره‌ها از خود نوری ندارند و روشنایی آن‌ها به سبب بازتابش نور ستاره‌ای در نزدیکی‌شان است. مانند سیاره‌های منظومه شمسی که روشنایی آن‌ها به سبب بازتابش نور خورشید است. اما منبع نور و درخشندگی ستاره‌ها چیست؟

ستاره‌ها از گاز تشکیل شده‌اند، مولکول‌های گاز به سبب متراکم‌بودن یک ستاره در هر لحظه درحال برخورد با یکدیگرند. به عبارتی مسافت میانگین آزاد هر اتم خیلی کوتاه است. در هسته یک ستاره جوان با دمای 10 میلیون کلوین، اتم‌های هیدروژن به هم برخورد کرده و اتم هلیم تولید می‌شود. انرژی زیادی در این برخورد آزاد می‌شود. در ستاره‌های با عمر بیشتر در دمای 100 میلیون کلوین اتم‌های هلیم با هم برخورد کرده و کربن تولید می‌شود، همچنین اکسیژن در واکنش‌هایی در این دما ایجاد می‌شود. در ادامه این فرآیندها وقتی دمای ستاره به بیش از 500 میلیون کلوین برسد نئون، سدیم و منیزیم تولید می‌شود. در دمای بالاتر از یک میلیارد کلوین همجوشی عناصر مختلف از قبیل نئون، اکسیژن و سیلیسیوم رخ می‌دهد. در نهایت طی این فرآیندها عناصری مانند گوگرد، آرگون، کلسیم و آهن نیز در ستاره تولید می‌شود. اینکه این فرآیندها تا تولید کدام عنصر ادامه پیدا کند به جرم ستاره بستگی دارد. این فرآیندها که طی زندگی همه ستاره‌ها رخ می‌دهد «گداخت» نام دارد. گداخت یعنی ترکیب دو هسته اتمی و تولید هسته بزرگ‌تر که انجام این فرایند با نور و گرمای بسیار زیادی همراه است. زیراوقتی دو هسته با هم ترکیب شوند مقدار کمی از جرم آنها به انرژی تبدیل می‌شودکه طبق رابطه معروف جرم- انرژی انیشتین با گداختن جرم اندکی از ماده می‌توان انرژی فراوانی به دست آورد. در واقع منبع نور و گرمای ستاره‌ها واکنش‌های گداخت است که به صورت لایه به لایه درون ستاره در طول زمان انجام می‌شود. زیرا میزان تراکم و فشار در سطح ستاره و در مرکز ستاره متفاوت است.

 در نهایت در اواخر عمر یک ستاره می‌توانیم عناصر مختلف را در ستاره ببینیم که در هر لایه فرآیندی در حال انجام است. سطحی‌ترین لایه‌های هسته هنوز در حال همجوشی هیدروژن و تولید هلیم است و در داخلی‌ترین لایه‌ها بنا به جرم ستاره می‌توانیم عناصر مختلف دیگری را مشاهده کنیم.

چرا روشنایی ظاهری ستاره‌های مختلف متفاوت است؟

ستاره‌ها منبعی از نور و گرما هستند که انرژی­شان را از واکنش‌های پیوسته گداخت که در آن‌ها رخ می‌دهد به دست می‌آورند. اما چرا برخی پرنورتر و برخی کم نوربه نظر می‌رسند؟

برای پاسخ به این سوال، نقش دو عامل تاثیرگذار را بررسی می‌کنیم؛ اولین عامل جرم است. هرچه ستاره‌ای پرجرم‌تر باشد فرآیند گداخت در هسته آن سریع‌تر رخ می‌دهد و نتیجه آن آزاد شدن انرژی و درخشندگی بیشتر است. در حقیقت درخشندگی معیاری برای سنجش شدت نور است، یا به عبارتی بیانگر میزان انرژی‌ای که جسم به صورت تابش در طی یک ثانیه ساطع می‌کند. واحد درخشندگی وات (ژول بر ثانیه) است. درخشندگی یک ستاره به دو عامل بستگی دارد: ۱) اندازه ستاره (مساحت سطح) ۲) مقدار نور مرئی که از هر مترمربع سطح آن گسیل می‌شود (که این مورد به نوبه خود تابع دمای سطح ستاره است). اما این میزان درخشندگی برای رسیدن به چشم ما مسافت طولانی‌ای را طی می‌کند. هرچه این مسافت طولانی‌تر باشد میزان درخشندگی رسیده از ستاره به سطح زمین کمتر می‌شود. درواقع اگر دو ستاره در فاصله یکسان تا زمین قرار گرفته باشند آنکه دما و ابعاد بیشتری دارد، پرنورتر دیده می‌شود. و اگر دو ستاره با دما و ابعاد یکسان داشته باشیم آنکه نزدیک‌تر است، پرنورتر دیده می‌شود. پس می‌توان گفت میزان روشنایی‌ای که از هر ستاره روی زمین می‌بینیم (که قدر ظاهری نام دارد) با درخشندگی واقعی آن متفاوت است؛ زیرا روشنایی در واقع میزان انرژی رسیده از منبع نوری به سطحی معین در واحد زمان است. برای مثال یک چراغ قوه می‌تواند در فاصله یک سانتی‌متری از چشم ما بسیار «روشن» جلوه کند؛ در حالی که یک پروژکتور در فاصله پنج کیلومتری برای چشم ما «روشنایی» بسیار ضعیفی دارد. کم‌شدن روشنایی با افزایش فاصله به دلیل پخش شدن انرژی تابشی است.

در ستاره‌ها امواج تابش شده در سطح کره‌ای پخش می‌شوند که مساحت کره با دو برابر شدن فاصله چهار برابر می‌شود. بنابراین روشنایی با دورشدن از جسم کاهش می‌یابد؛ زیرا نور در سطح کره بزرگ‌تری پخش شده است. در نتیجه متفاوت‌بودن روشنایی ظاهری ستاره‌ها در آسمان به دلیل  فاصله ما از آن ستاره و تفاوت دما و اندازه هر ستاره است.

 

آیا می‌شود به یک ستاره کاوشگر اعزام کرد؟

بشر همواره به دنبال کاوش در سراسر کیهان بوده و به این منظور دست به ساختن فضاپیماها، کاوشگرها و... زده است. کاوشگرها و فضاپیماها برای اهداف خاصی راهی مقاصد مشخصی می‌شوند. تاکنون دانشمندان موفق شده‌اند به ماه و سیاره‌هایی همچون عطارد، زهره، مریخ، مشتری، زحل، اورانوس، نپتون و سیاره کوتوله پلوتو کاوشگر اعزام کنند. این کاوشگرها توانسته‌اند اطلاعات بسیار ارزشمندی برای ما جمع آوری کنند. اما برخی کاوشگرها هستند که راهی ورای منظومه شمسی نیز شده‌اند؛ اولین کاوشگر  پایونیر 10 بود که در سال 1350 پرتاب شد  و آخرین سیگنال بسیار ضعیف از آن در 3 بهمن ماه 1381 دریافت شد. طبق پیش‌بینی‌های انجام شده پایونیر 10 اکنون در فاصله 114 واحد نجومی قرار دارد ‌(هر واحد نجومی (AU) برابر با فاصله زمین تا خورشید است) و از کمربند کوئیپر خارج شده است. پایونیر 11 نیز در سال 1352 شمسی پرتاب شد و پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که تاکنون مسافت 90 واحد نجومی  (90AU) را طی کرده است آخرین تماس با پایونیر 11 در سال 1374 برقرار شد. ویجر 1 نیز در سال 1356 شمسی پرتاب شد و تاکنون 133 واحد نجومی از ما فاصله گرفته و در فضای میان ستاره‌ای در حال حرکت است. در سال 1392 ناسا به طور رسمی خروج ویجر ۱ از منظومه شمسی را تایید کرد و طبق پیش‌بینی‌های انجام شده این فضاپیما حدود 300 سال دیگر به محدوده ابر اورت می‌رسد. ویجر 2 نیز که در سال 1356 پرتاب شد، در سال 1368 از کنار نپتون گذشت و تاکنون 102 واحد نجومی از ما فاصله گرفته است. اما چرا تا به حال به ستاره‌ها کاوشگر نفرستاده‌ایم؟

در حقیقت نزدیک‌ترین ستاره به زمین، همان خورشید است که فضاپیمای هلیوس1 در سال 1979/1358 از ۴۷ میلیون کیلومتری آن پرواز کرد. در بهترین حالت با فضاپیمایی که ناسا در سال 2018/1397 به سوی خورشید پرتاب می‌کند می‌توانیم تا شش میلیون کیلومتری خورشید به آن نزدیک شویم. اما بازهم فاصله زیادی تا ستاره مورد نظر داریم! نزدیک‌شدن به خورشید و دیگر ستاره‌ها به عواملی بستگی دارد که در ادامه به آن‌ها خواهیم پرداخت.

مهم‌ترین عامل مسافت است. پس از خورشید نزدیک‌ترین ستاره به ما که پروکیسما قنطورس نام دارد، حدود 4/2 سال نوری با ما فاصله دارد که اگر بخواهیم با سرعت حدودا  km/s17 (مشابه سرعت فضاپیمای ویجر1) به آن سفر کنیم تقریبا 74 هزار سال طول خواهد کشید.

اما فرض کنیم کاوشگری ساخته‌ایم که بتواند در طول مدت سفرش با زمین در ارتباط باشد و داده‌هایش را به زمین مخابره کند و همچنین سوخت مورد نیاز برای رسیدن به مقصد را داشته باشد. چنین کاوشگری به محض رسیدن به نزدیکی ستاره مورد نظر ذوب خواهد شد زیرا دمای سطح یک ستاره معمولی مثل خورشید 5800 درجه سانتیگراد است (دمای سطح ستارگان بین سه هزار تا 30 هزار کلوین متفاوت است) و هیچ دستگاه ساخته دست بشر در این دما مقاوم نیست. البته قسمت‌های مختلف جو خورشید دمای متفاوتی بین 4500 تا دو میلیون کلوین دارد.

اما اگر بازهم فرض کنیم بتوانیم کاوشگرمان را از جنسی مقاوم در برابر حرارت بسازیم. در این حالت نیزکاوشگر در نزدیکی ستاره از کار خواهد افتاد زیرا ستاره میدان مغناطیسی قوی‌ای دارد. همچنین بادهای ستاره‌ای و طوفان‌های مغناطیسی می‌تواند سامانه‌های الکترونیک فضاپیما را از کار بیندازد.

از سویی دیگر در طول سفر، ممکن است فضاپیما با ذرات میان‌ستاره‌ای یا پرتوهای مضر کیهانی برخورد کند که سبب وارد آمدن خسارت به فضاپیما می‌شود.

در نهایت با مهیا کردن تمامی امکانات بازهم یک کاوشگر نمی‌تواند بر سطح ستاره فرود بیاید و فقط می‌تواند اطراف آن پرواز کند، زیرا جنس ستاره از پلاسما است و امکان این وجود ندارد که فضاپیما روی ستاره فرود آید. پلاسما حالتی از ماده است که در دماهای بسیار بالا به وجود می‌آید و اتم‌ها یونیزه می‌شوند. در حالت پلاسما ذرات باردار مانند الکترون آزادانه در محیط حرکت می‌کنند و هیچ سطح سخت و قابل فرودی روی یک ستاره وجود ندارد.