پث‌وایز

اخترفیزیک و کیهان‌شناسی (Astrophysics & The Cosmos) · درس ۴ از ۱۲ · ۱۲ دقیقه

ستاره چطور به دنیا میاد و می‌درخشه

یه ابر گاز سرد رو دنبال کن تا ببینی گرانش چطور ستاره‌ش می‌کنه، همجوشی واقعاً چیه و چرا سوختن نیست، و اون تعادلی که خورشید رو میلیاردها سال پایدار نگه می‌ده چطور کار می‌کنه.

از ابر سرد تا ستاره

  1. یه ابر سرد و تاریک

    بین ستاره‌ها ابرهای خیلی بزرگی از گاز شناورن، بیشترشون هیدروژن، با دمای حدود منفی ۲۶۰ درجه. بهشون می‌گن سحابی. یه سحابی بزرگ برای هزاران ستاره گاز داره.

  2. گرانش دست‌به‌کار می‌شه

    همون‌طور که درس قبل دیدی، یه تیکه‌ی کمی چگال‌تر گاز بیشتری می‌کشه و بزرگ می‌شه. خیلی وقت‌ها یه تلنگر هم کمک می‌کنه، مثلاً موج انفجار یه ستاره‌ی در حال مرگ تو همسایگی. اون تیکه شروع می‌کنه به فروریختن.

  3. فشرده شدن گرما می‌سازه

    گاز وقتی فشرده بشه داغ می‌شه؛ تلمبه‌ی دوچرخه هم برای همین گرم می‌شه. تیکه‌ی گاز که به داخل فرو می‌ریزه، مرکزش داغ‌تر و چگال‌تر می‌شه و شروع می‌کنه به تابیدن. این یه پیش‌ستاره‌ست و فقط با گرمای فروریختن خودش می‌تابه.

  4. روشن شدن

    بعد از چند میلیون سال دمای مرکز از حدود ۱۰ میلیون درجه رد می‌شه. حالا هسته‌های هیدروژن اون‌قدر محکم به هم می‌خورن که جوش بخورن. یه منبع انرژی جدید روشن می‌شه، فروریختن وایمیسه، و یه ستاره به دنیا میاد.

خودت رو امتحان کن

پریسا می‌خونه که پیش‌ستاره خیلی قبل از اینکه همجوشی شروع بشه می‌تابه. می‌پرسه این گرما از کجا میاد. بهترین جواب چیه؟

  1. همجوشی از همون لحظه‌ی اول فروریختن ضعیف‌ضعیف در جریانه
  2. نور ستاره‌های همسایه ابر رو گرم می‌کنه
  3. گرانش گاز رو فشار می‌ده، و گاز فشرده داغ می‌شه
  4. گاز موقع سقوط به فضای خالی ساییده می‌شه
جواب رو ببین

گرانش گاز رو فشار می‌ده، و گاز فشرده داغ می‌شه

درسته. فروریختن به داخل، انرژی گرانشی رو تبدیل می‌کنه به گرما؛ مثل باد زدن لاستیک که تلمبه رو گرم می‌کنه. همجوشی تازه وقتی شروع می‌شه که این فشردگی دمای مرکز رو از حدود ۱۰ میلیون درجه رد کنه.

موتور

همجوشی هسته‌ای (Nuclear Fusion): تبدیل جرم به انرژی

تو هسته‌ی خورشید، تو دمای حدود ۱۵ میلیون درجه، هسته‌های هیدروژن محکم به هم می‌خورن و طی چند مرحله، چهارتاشون می‌شن یه هسته‌ی هلیوم. نکته‌ی اصلی اینجاست: اون هسته‌ی هلیوم حدود ۰٫۷٪ سبک‌تر از چهارتا هیدروژنیه که ساختنش. جرم گم‌شده به شکل ماده جایی نرفته؛ تبدیل شده به انرژی، طبق همون E = mc² اینشتین. چون c، یعنی سرعت نور، عدد خیلی بزرگیه، یه ذره جرم یعنی یه مقدار عظیم انرژی.

خورشید هر ثانیه حدود ۴ میلیون تُن از جرمش رو تبدیل می‌کنه به نور. اون‌قدر پرجرمه که بعد از ۴٫۶ میلیارد سال این کار، خیلی کمتر از یک‌هزارم خودش رو از دست داده.

۱ کیلو هیدروژن رو جوش بده و هلیوم کن

هلیوم تولیدشده       = ۹۹۳ گرم
جرمی که «ناپدید» می‌شه =   ۷ گرم   (۰٫۷٪)

انرژی همین ۷ گرم، در مقایسه با سوزوندن زغال‌سنگ:

خروجی

تقریباً اندازه‌ی سوزوندن ۲۰٬۰۰۰ تُن زغال‌سنگ

سوختن فقط اتم‌ها رو جابه‌جا می‌کنه تا مولکول جدید بسازن. همجوشی خود هسته‌ها رو عوض می‌کنه و به ازای هر کیلو، میلیون‌ها برابر انرژی بیشتر آزاد می‌کنه. برای همینه که خورشید به‌جای چند هزار سال، میلیاردها سال دووم میاره.

خودت رو امتحان کن

خورشید در اصل یه آتیش خیلی بزرگه: یه کره‌ی گاز که تو فضا داره می‌سوزه.

جواب رو ببین

نادرست

غلطه. آتیش یه واکنش شیمیاییه که اکسیژن می‌خواد و فقط اتم‌ها رو جابه‌جا می‌کنه. خورشید با همجوشی هسته‌ای کار می‌کنه: هسته‌های هیدروژن یکی می‌شن و هلیوم می‌سازن و ۰٫۷٪ جرمشون انرژی می‌شه. خورشیدی که از آتیش بود چند هزار ساله خاموش می‌شد.

تعادل

طناب‌کشی‌ای که برنده نداره

ستاره یه دعواست بین دوتا چیز. گرانش همه‌ی گازش رو می‌کشه تو. فشار گاز داغ هسته هل می‌ده بیرون. تا وقتی این دوتا برابرن، اندازه‌ی ستاره ثابت می‌مونه. قسمت قشنگش اینه که این تعادل خودش رو تعمیر می‌کنه. اگه همجوشی کند بشه، هسته خنک می‌شه، فشار میاد پایین و گرانش هسته رو فشار می‌ده. فشرده شدن داغش می‌کنه و همجوشی دوباره تند می‌شه.

همین ترموستات داخلی باعث شده خروجی خورشید اون‌قدر پایدار بمونه که حیات روی زمین دووم بیاره؛ فقط خیلی آروم، طی میلیاردها سال، عوض شده.

بادکنکی که پوست نداره

تو بادکنک، لاستیک کش‌اومده فشار میاره به داخل و هوای توش هل می‌ده بیرون، و بادکنک همون‌جایی که این دوتا برابر می‌شن اندازه‌ش رو نگه می‌ده. ستاره هم همین‌جوره و گرانش نقش لاستیک رو بازی می‌کنه. جایی که این تشبیه جواب نمی‌ده: بادکنک مفت و مجانی همون‌جا می‌مونه، ولی ستاره هر ثانیه به شکل نور انرژی به فضا نشت می‌ده، پس باید تو هسته‌ش مدام گرما بسازه تا فشار نیفته. وقتی سوخت تموم بشه، تعادل به هم می‌خوره. این می‌شه درس بعد.

خودت رو امتحان کن

فرض کن همجوشی تو هسته‌ی یه ستاره یه مدت کوتاه یه کم زیادی تند بشه. با تعادلی که الان خوندی، بعدش چی می‌شه؟

  1. گرمای اضافه خودش رو تقویت می‌کنه و ستاره مثل بمب منفجر می‌شه
  2. هسته داغ می‌شه و باد می‌کنه؛ این خنکش می‌کنه و همجوشی دوباره کند می‌شه
  3. هیچی عوض نمی‌شه، چون سرعت همجوشی ثابته
  4. گرانش فوری برنده می‌شه و ستاره فرو می‌ریزه
جواب رو ببین

هسته داغ می‌شه و باد می‌کنه؛ این خنکش می‌کنه و همجوشی دوباره کند می‌شه

آره. گرمای اضافه یعنی فشار اضافه، پس هسته یه کم باد می‌کنه. هسته‌ی بادکرده خنک‌تر و رقیق‌تره، پس همجوشی آروم می‌گیره و ستاره برمی‌گرده سر جای اولش.

جرم تعیین می‌کنه ستاره چقدر عمر کنه

ستاره‌های کوچیک

یه کوتوله‌ی قرمز با یک‌دهم جرم خورشید گرانش ضعیفی داره، پس هسته‌ش فقط به‌زور برای همجوشی داغه. خنک و کم‌نور و قرمزه و سوختش رو جرعه‌جرعه مصرف می‌کنه. این ستاره‌ها می‌تونن تریلیون‌ها سال دووم بیارن؛ خیلی بیشتر از عمر فعلی کیهان که ۱۳٫۸ میلیارد ساله. تا حالا هیچ‌کدومشون از پیری نمرده.

ستاره‌های پرجرم

ستاره‌ای با جرم ۱۰ تا خورشید گرانش له‌کننده‌ای داره، پس هسته‌ش باید خیلی داغ‌تر باشه تا سرپا نگهش کنه. همجوشی دیوانه‌وار سریع‌تر پیش می‌ره و ستاره آبی-سفید می‌درخشه. حدود ۲۰ میلیون سال بعد کارش تمومه. خورشید این وسطه، با عمر کل حدود ۱۰ میلیارد سال؛ الان تقریباً وسط راهه.

خودت رو امتحان کن

  1. ستاره‌ی A: جرمش ۱ خورشید، درخشندگیش اندازه‌ی ۱ خورشید، عمرش حدود ۱۰ میلیارد سال.
  2. ستاره‌ی B: جرمش ۱۰ خورشید، درخشندگیش تقریباً اندازه‌ی ۵٬۰۰۰ خورشید، عمرش حدود ۲۰ میلیون سال.

دارا فکر می‌کرد ستاره‌ی B باید ۱۰ برابر بیشتر عمر کنه، چون ۱۰ برابر سوخت داره. چی رو ندیده؟

  1. ستاره‌های بزرگ سوختی دارن که جوش نمی‌خوره
  2. ۱۰ برابر سوخت داره ولی هزاران برابر سریع‌تر خرجش می‌کنه
  3. ستاره‌های بزرگ پیرترن، پس وقت کمتری براشون مونده
  4. درخشندگی هیچ ربطی به مصرف سوخت نداره
جواب رو ببین

۱۰ برابر سوخت داره ولی هزاران برابر سریع‌تر خرجش می‌کنه

درسته. درخشندگی یعنی سرعت خرج کردن. ده برابر سوخت که حدود ۵٬۰۰۰ برابر سریع‌تر خرج بشه، تقریباً یک‌پانصدم دووم میاره: ۱۰ میلیارد سال می‌شه حدود ۲۰ میلیون.

خودت رو امتحان کن

هر جرم رو به سرنوشتش به‌عنوان ستاره‌ای که هیدروژن جوش می‌ده وصل کن

جواب رو ببین
  • یه تیکه‌گاز با ۵٪ جرم خورشید → هیچ‌وقت همجوشی هیدروژنش پایدار نمی‌شه
  • یه کوتوله‌ی قرمز با ۱۰٪ جرم خورشید → تریلیون‌ها سال می‌درخشه
  • خورشید → حدود ۱۰ میلیارد سال می‌درخشه
  • یه ستاره‌ی آبی-سفید با جرم ۱۰ خورشید → حدود ۲۰ میلیون سال می‌درخشه

مرور درس

  • ستاره وقتی شکل می‌گیره که گرانش یه تیکه گاز سرد رو فرو می‌ریزه؛ فشردگی مرکز رو داغ می‌کنه تا تو حدود ۱۰ میلیون درجه همجوشی شروع بشه.
  • همجوشی چهارتا هسته‌ی هیدروژن رو می‌کنه یه هسته‌ی هلیوم. حدود ۰٫۷٪ جرم انرژی می‌شه؛ به ازای هر کیلو، میلیون‌ها برابر سوختن.
  • ستاره یه تعادله بین گرانش که می‌کشه تو و فشار گاز داغ که هل می‌ده بیرون، و این تعادل مثل ترموستات خودش رو اصلاح می‌کنه.
  • ستاره‌های پرجرم‌تر سوختشون رو خیلی سریع‌تر مصرف می‌کنن و خیلی زودتر می‌میرن: تریلیون‌ها سال برای کوتوله‌ی قرمز، ۱۰ میلیارد برای خورشید، چند ده میلیون برای غول‌ها.

فقط نخونش، نگهش دار

پث‌وایز هر ایده رو درست قبل از اینکه فراموشش کنی با یه سؤال کوتاه برمی‌گردونه. رایگان روی اندروید و وب، به فارسی و انگلیسی.

Cafe Bazaar Myket باز کردن نسخه‌ی وب

همه‌ی درس‌های این دوره

  1. فضا چقدر بزرگه؟
  2. نور، پیام‌رسان کیهان: طیف‌سنجی (Light & Spectroscopy)
  3. گرانش، مجسمه‌ساز کیهان (Gravity & Cosmic Architecture)
  4. ستاره چطور به دنیا میاد و می‌درخشه
  5. ستاره‌ها چطور می‌میرن: ابرنواخترها (Supernovae & Stellar Death)
  6. سنتز هسته‌ای: ما از غبار ستاره‌ایم (Stellar Nucleosynthesis)
  7. ستاره‌های نوترونی و تپ‌اخترها
  8. سیاه‌چاله‌ها (Black Holes)
  9. فضازمان (Spacetime): ایده‌ی اینشتین
  10. مهبانگ و شواهدش
  11. ماده‌ی تاریک (Dark Matter)، انرژی تاریک و کیهان در حال انبساط
  12. دنیاهای دیگه