داستان یکی از شگفت‌انگیزترین اجرام آسمانی: ستاره‌ها از تولد تا مرگ

ستاره چیست؟ آیا تاکنون به تعریف دقیق آن فکر کرده‌اید؟ هنگامی که در آسمان تاریک شب، به دنبال ستاره خود در آسمان می‌گردید، فکر کرده‌اید که این اجرام آسمانی چه ویژگی‌های خارق‌العاده‌ای دارند؟ این گوی‌های گازی درخشان قرن‌هاست که مورد توجه انسان هستند. آن‌ها به کاوشگران باستانی کمک می‌کردند تا مسیر خود را در دریا و بیابان پیدا کنند. اکنون، دانشمندان این اجرام سماوی را به‌طور دقیق مطالعه می‌کنند تا دانش خود از عالم را افزایش دهند.

در این مقاله قصد داریم ستاره‌ها و ویژگی‌های شگفت‌انگیزشان را باهم بررسی کنیم.

ستاره چیست؟

ستارگان کره‌های درخشانی هستند که عمدتا از پلاسما - گازی فوق متراکم - با یک میدان مغناطیسی تشکیل شده‌اند. این اجرام آسمانی عمدتا از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌اند. در مرکز ستاره‌ها فرآیندهای هسته‌ای در جریان است که سبب می‌شود نور و گرما به بیرون ساطع کنند.

ستارگان اجزای اصلی کهکشان‌ها هستند و می‌توان آن‌ها را جزو اولین اجرام تشکیل شده در کیهان اولیه دانست. خورشید بزرگترین ستاره در منظومه شمسی - همچنین نزدیک‌ترین ستاره به زمین - است که حدود 99.8% جرم منظومه شمسی را به خود تعلق داده است.

در فواصل بیشتر - خارج از منظومه شمسی - می‌توان میلیاردها ستاره با اجرام مختلف پیدا کرد.

تقریبا غیرممکن است که بتوانیم تعداد ستاره‌های موجود در کیهان را تقریب بزنیم. با این‌حال، ستاره‌شناسان تخمین می‌زنند تنها کهکشان راه شیری دارای حدود 300 میلیارد ستاره است.

هر ستاره‌ای که در آسمان شب می‌بینید، از خورشید ما بزرگتر و درخشان‌تر است. از بین 50 ستاره درخشان که با چشم انسان از زمین قابل مشاهده است، کم نورترین آن «آلفا قنطورس» است که 1.5 برابر درخشان‌تر از خورشید است.

تعداد ستارگانی که می‌توان در یک آسمان بسیار تاریک و به دور از غبار با چشم غیرمسلح دید، حدود 2000 تا 2500 ستاره است. برای مشاهده ستارگان بیشتر باید از تلسکوپ استفاده کرد.

هنگامی که به یک ستاره در آسمان خیره می‌شوید، ممکن است احساس کنید ستاره چشمک و یا اصطلاحا سوسو می‌زند. اما به خاطر داشته باشید که ستاره‌ها هیچ‌گاه چشمک نمی‌زنند. این مسئله به علت جو متلاطم زمین است.

همانطور که نور از یک ستاره ساطع می‌شود تا به چشم برسد، در مسیر خود باید از لایه‌های مختلف جو زمین با میزان غلظت‌های متفاوت عبور کند. این عبور نور را دچار انحراف می‌کند و رنگ و شدت آن اندکی دچار تغییر می‌شود.

در نتیجه چشمک زدن ستاره تنها در زمین قابل مشاهده است و اگر از بیرون از جو زمین به ستاره‌ها نگاه کنیم، هرگز شاهد چشمک زدن آن‌ها نخواهیم بود.

تاریخچه مطالعه ستاره‌ها

بیش از دو هزار سال پیش، «هیپارخوس» ستاره‌شناس یونانی، اولین کسی بود که فهرستی از ستارگان را با توجه به درخشندگی آن‌ها تهیه کرد. او درحقیقت، به ستارگان در آسمان نگاه کرد و آن‌ها را براساس میزان روشنایی به دسته‌های «قدر یک» تا «قدر شش» تقسیم کرد.

درخشان‌ترین ستاره‌ها قدر یک دارند و کم نورترین آن‌ها دارای قدر شش هستند. این دسته‌بندی تنها با رصد ستاره‌ها بدون هیچ ابزار نجومی پیشرفته‌ای انجام شد. به همین دلیل ستاره‌شناسان در دهه‌های اخیر به کمک ابزارهای مدرن اندازه‌گیری توانسته‌اند دقت این دسته‌بندی را افزایش دهند.

در اواخر قرن بیستم، اخترشناسان دریافتند جرم یک ستاره به درخشندگی آن یا میزان نوری که ساطع می‌کند، مرتبط است. همچنین این دو پارامتر به رنگ ستاره نیز مرتبط هستند. ستارگانی با جرم 10 برابر خورشید بیش از هزار برابر درخشش دارند.

تولد ستاره

ستاره‌ها عمری در حدود چند میلیارد سال دارند. به عنوان یک قاعده کلی، هرچه جرم ستاره بیشتر باشد، طول عمر آن کوتاه‌تر است! چرا؟ در ادامه به این سوال پاسخ می‌دهیم.

پیش‌ستاره

تولد ستاره در داخل ابرهای غبار که عمدتا از هیدروژن تشکیل شده‌اند، اتفاق می‌افتد. این ابرها مملو از گرد و غبار هستند و ما آن‌ها را «سحابی» می‌نامیم. سحابی‌ها با چگالی‌های مختلف در عالم وجود دارند. از چند ده مولکول (عمدتا هیدروژن) در هر سانتی‌متر مکعب تا بیش از یک میلیون.

در هر سحابی نیروی گرانش و فشار گرما درتلاش برای غلبه بر یکدیگر هستند. در طول هزاران سال، با افزایش گرد و غبار موجود در سحابی، نیروی گرانش بر فشار گرما غلبه می‌کند و نواحی متراکم سحابی به درون خود فروپاشی می‌کنند. این فروپاشی گرانشی اولین مرحله تولد ستاره است. آن را «پیش‌ستاره» یا «Protostar» می‌نامیم.

از آنجایی که غبار موجود در سحابی پیش‌ستاره‌ها را پنهان می‌کند، تشخیص آن‌ها در فضا برای ستاره‌شناسان دشوار است.

«مارک موریس» اخترشناس از دانشگاه «UCLS» می‌گوید: «طبیعت به صورت مجزا ستاره‌ها را تشکیل نمی‌دهد. آن‌ها به صورت خوشه‌ای در درون ابرهایی از گرد و غبار تشکیل می‌شوند که تحت گرانش در درون خود فرو می‌ریزند.»

پیش‌ستاره در اثر نیروی گرانش - که نیرویی مرکزی است - کوچک و کوچکتر می‌شود. این درحالی است که پایستگی تکانه زاویه‌ای سبب می‌شود سرعت چرخش آن در حین منقبض شدن افزایش یابد. پایستگی تکانه زاویه‌ای همان اصلی است که باعث می‌شود هنگامی که یک اسکیت‌باز درحال چرخش دست‌هایش را به دور خودش جمع می‌کند، با سرعت بیشتری بچرخد. افزایش سرعت چرخش با افزایش دما همراه است.

دنباله اصلی

میلیون‌ها سال بعد، زمانی که دمای هسته به حدود 15 میلیون درجه سانتی‌گراد رسید، همجوشی هسته‌ای در درون ستاره آغاز می‌شود. به عبارت دیگر، اتم‌های هیدروژن در یک واکنش هسته‌ای اتم‌های هلیوم را در هسته تشکیل می‌دهند. در اثر این تبدیل، اشعه ایکس تابش می‌شود. این فرآیند مقدار زیادی انرژی ساطع می‌کند و ستاره را داغ و درخشان نگه می‌دارد. این مرحله، مرحله بعدی زندگی ستاره و طولانی‌ترین آن است. این دوره را به عنوان «دنباله اصلی» یا «Main Sequence» می‌شناسیم.

اجرام با جرم کمتر از 0.08 جرم خورشید، نمی‌توانند به مرحله همجوشی هسته‌ای در مرکز خود برسند. به همین دلیل به «کوتوله قهوه‌ای» تبدیل می‌شوند - ستاره‌هایی که هرگز مشتعل نمی‌شوند. اما اگر جرم کافی داشته باشند، گاز و غبار در حین فروپاشی داغ شده و زمانی که به دمای کافی برسد، هیدروژن را به هلیوم تبدیل می‌کند.

همین امر سبب روشن شدن ستاره می‌شود و آن را به یک ستاره دنباله اصلی تبدیل می‌کند. ستاره دنباله اصلی از همجوشی هیدروژنی نیرو می‌گیرد. همجوشی فشاری به بیرون تولید می‌کند که با فشار درونی گرانش متعادل می‌شود و ستاره در فاز پایدار قرار می‌گیرد.

طول عمر یک ستاره دنباله اصلی به جرم آن بستگی دارد. یک ستاره با جرم زیاد، ممکن است مواد بیشتری داشته باشد، اما به دلیل دمای بالای هسته سریع‌تر بسوزد و به پایان عمر خود نزدیک شود. درحالیکه خورشید حدود ده میلیارد سال از طول عمر خود را به عنوان یک ستاره دنباله اصلی می‌گذراند، ستاره‌ای با جرم ده برابر خورشید، تنها 20 میلیون سال از عمر خود را تحت عنوان یک ستاره دنباله اصلی طی خواهد کرد.

بیشتر ستارگان کهکشان ما - از جمله خورشید - در دوره دنباله اصلی هستند. این ستاره‌ها می‌توانند از حدود یک دهم جرم خورشید تا 200 برابر جرم داشته باشند.

بعضی از ستاره‌ها بیشتر از بقیه می‌درخشند. روشنایی آن‌ها عاملی است که نشان می‌دهد چقدر انرژی از خود ساطع می‌کنند - این انرژی را به عنوان «درخشندگی» می‌شناسیم - و چقدر از زمین فاصله دارند.

رنگ نیز یکی دیگر از پارامترهایی است که می‌تواند در هر ستاره متفاوت باشد. رنگ ناشی از دمای ستاره است و ستاره‌ها دمای یکسانی ندارند.

ستاره‌های داغ، سفید یا آبی به نظر می‌رسند، درحالیکه ستاره‌های سردتر رنگ‌های نارنجی یا قرمز دارند. خورشید با دمای سطحی 5800 کلوین در بین این طیف قرار می‌گیرد زیرا ظاهر آن زردتر است.

ستارگان درحقیقت جسم سیاه هستند. جسم سیاه جسمی است که تمام تابش تشعشعات الکترومغناطیسی (نور مرئی، امواج رادیویی و غیره) را به صورت کامل جذب می‌کند. طیف تابش ستاره‌ها از تابع توزیع «پلانک» تبعیت می‌کند.

اخترشناسان با رسم این متغیرها بر روی نموداری به نام «هرتزسپرونگ-راسل» یا «H-R Diagram»می‌توانند ستارگان را براساس روشنایی و رنگ آن‌ها - که به نوبه خود دمای آن‌ها را نشان می‌دهد - در گروه‌های مختلف دسته‌بندی کنند.

بیشتر ستارگان در مرحله هیدروژن سوز‌ِ زندگی خود، در این نمودار روی خط مرتبط با ستارگان دنباله اصلی قرار می‌گیرند که از بالا سمت چپ نمودار (جایی که ستاره‌های داغ درخشان‌تر هستند) به سمت راست پایین (جایی که ستارگان سرد تمایل به کم‌نور شدن دارند) امتداد دارد.

ستاره‌ها 90% از عمر خود را در مرحله دنباله اصلی می‌گذرانند. اکنون خورشید با حدود 4.6 میلیون سال سن و دمای سطحی حدود 5000 کلوین، یک ستاره کوتوله زرد با اندازه متوسط است و ستاره‌شناسان پیش‌بینی می‌کنند برای چندین میلیارد سال دیگر در مرحله دنباله اصلی باقی بماند.

علاوه بر ستارگان گروه دنباله اصلی، گروه‌های دیگر شامل ستارگان کوتوله، غول‌ها و ابَرغول‌ها است که شعاع‌هایی هزار برابر بزرگتر از شعاع خورشید دارند.

با افزایش نسبت هلیوم به هیدروژن در هسته، ستاره‌ها کم کم از این ناحیه فاصله می‌گیرند و وارد فاز دیگری از زندگی خود می‌شوند.

ستاره غول قرمز

همانطور که ستارگان به سمت پایان زندگی خود می‌روند، بیشتر هیدروژن آن‌ها به هلیوم تبدیل می‌شود - تقریبا هیدروژن با تبدیل شدن به هلیوم به یک سوم مقدار اولیه خود کاهش می‌یابد. هنگامی که حدود 10% از جرم ستاره به هلیوم تبدیل شد، ساختار آن به شدت تغییر می‌کند.

طی این فرآیند، دمای مرکز ستاره افزایش می‌یابد و انرژی درونی آن سبب انبساط پوسته خارجی ستاره می‌شود. حالا هسته ستاره مملو از هلیوم بی‌اثر است - مقدار ناچیزی عناصر سنگین نیز در هسته وجود دارد. این مرحله که ستاره بزرگ و متورم شده است، به عنوان «غول قرمز» شناخته می‌شود.

حالا ستاره در آخرین مرحله زندگی خود است. سرانجام آن چیست؟ سرنوشت پایانی ستاره به جرم آن بستگی دارد.

کوتوله سفید

فاز غول سرخ در حقیقت مرحله‌ای است که در آن ستاره لایه‌های بیرونی خود را دور می‌ریزد و به جسم کوچک و متراکمی به نام «کوتوله سفید» تبدیل می‌شود. کوتوله‌های سفید را می‌توان به یک ستاره مرده شباهت داد که برای میلیاردها سال خنک می‌شوند. کوتوله‌های سفید بقایای هسته ستاره‌ای هستند که بسیار متراکم‌اند. درخشندگی ضعیف یک کوتوله سفید از انتشار انرژی حرارتی باقیمانده برای آن ناشی می‌شود.

تصور می‌شود کوتوله‌های سفید آخرین وضعیت تکاملی ستارگانی باشد که جرم آن‌ها آنقدر زیاد نیست که به یک ستاره نوترونی یا سیاهچاله تبدیل شوند. این شامل بیش از 97% ستارگانی است که در کهکشان راه شیری وجود دارند.

درحقیقت آن‌ها دیگر همجوشی هسته‌ای ندارند، اما همچنان گرما ساطع می‌کنند. درنهایت تمام کوتوله‌های سفید تاریک می‌شوند و دیگر انرژی تولید نمی‌کنند. در این مرحله - که دانشمندان هنوز موفق به رصد آن نشده‌اند - ستاره به «کوتوله سیاه» تبدیل شده است.

برخی از آن‌ها، اگر در یک منظومه دوتایی قرار داشته باشند، ماده اضافی را از ستاره همراه خود جذب می‌کنند و با افزایش جرم درنهایت دچار انفجار شده و به یک ابرنواختر درخشان تبدیل می‌شوند.

نزدیکترین کوتوله سفید شناخته شده به زمین «سیریوس B» است که فاصله‌ای در حدود 8.6 سال نوری دارد. این کوتوله سفید جزء کوچکتر ستاره دوتایی «سیریوس» است.

ابرنواختر

اما ستارگان پرجرم از این مسیر تکاملی - تبدیل شدن به کوتوله سیاه - پیروی نمی‌کنند. آن‌ها به علت جرم بسیار زیاد خود - همانند حالت استثنا که در بالا ذکر شد - دچار انفجار شده و به یک ابرنواختر درخشان تبدیل می‌شوند. در واقع، آن‌ها در ظاهر همانند غول‌های قرمز متورم هستند با این تفاوت که هسته آن‌ها در حال انقباض است.

این انقباض به این علت صورت می‌گیرد که ذخیره هلیوم در هسته ستاره به پایان رسیده است و نیروی گرانش بر سایر نیروها غلبه می‌کند. درنهایت هسته آنقدر متراکم می‌شود که این انفجار صورت می‌گیرد و ابرنواختر پدید می‌آید. هسته این اجرام از پوسته‌ای به جنس آهن تشکیل شده است.

از آنجا که برخی ابرنواخترها دارای الگوی درخشندگی خاصی هستند، اخترشناسان از آن‌ها به عنوان «شمع استاندارد» یاد می‌کنند. شمع استاندارد درحقیقت نوعی ابزار اندازه‌گیری نجومی است که کمک آن می‌توان فاصله‌ ستارگان از زمین را اندازه گرفت و سرعت انبساط عالم را محاسبه کرد.

هسته ابرنواختر وابسته به میزان جرمی که دارد می‌تواند به «ستاره نوترونی» یا «سیاهچاله» تبدیل شود.

ستاره نوترونی

اگر جرم هسته ابرنواختر بین 1.4 تا 3 برابر جرم خورشید باشد، نیروی گرانش سبب می‌شود تا پروتون‌ها و الکترون‌ها برای تشکیل نوترون‌ها به یکدیگر فشرده شوند تا درنهایت «ستاره نوترونی» بوجود آید. ستاره نوترونی درحقیقت هسته فروپاشیده ابرنواختر است که جرمی درحدود 10 تا 29 برابر جرم خورشید دارد.

ستاره‌های نوترونی را می‌توان کوچکترین و متراکم‌ترین ستارگانی دانست که تاکنون شناخته شده‌اند.

برخی از ستارگان نوترونی در زمین به عنوان «تپ اختر» شناسایی می‌شوند. تپ اخترها اجرامی هستند که در حین چرخش، دو نوع اشعه (امواج رادیویی و اشعه ایکس) به صورت متناوب منتشر می‌کنند.

به عنوان مثال، ستاره‌ای نوترونی در سحابی «خرچنگ» وجود دارد که هر 30 ثانیه یکبار تپ‌هایی با نور مرئی ارسال می‌کند. به عبارت دیگر، می‌توان گفت این ستاره خاموش و روشن می‌شود. تعداد کمی از ستاره‌های نوترونی هستند که امواج با نور مرئی از خود منتشر می‌کنند.

سیاهچاله

اگر جرم هسته بیشتر از رقم مذکور باشد، هسته در اثر فروپاشی گرانشی به یک «سیاهچاله» تبدیل می‌شود. در این مقاله، هرچه لازم است از سیاهچاله‌ها بدانیم، مرور شده است.

به طور خلاصه می‌توان گفت ستاره‌ها برحسب جرم خود سرنوشت متفاوتی دارند. پس از آنکه ابرهای گرد و غبار مملو از هیدروژن به غول‌های قرمز تبدیل شدند، اگر جرمی در حدود جرم خورشید داشته باشند، به یک کوتوله سفید تبدیل می‌شوند که درحقیقت ستاره‌ای مرده است. آن دسته از غول‌های قرمز که پرجرم‌تر هستند در اثر انفجار درونی به ابرنواختر تبدیل می‌شوند. هسته مرکزی ابرنواختر نیز با توجه به جرمی که دارد می‌تواند به یک سیاهچاله یا ستاره نوترونی تبدیل شود.

تفاوت ستاره با سیاره

دانستن تفاوت میان ستاره و سیاره امری ضروری است. ستاره و سیاره هردو از اجرام آسمانی هستند که می‌توان آن‌ها را در آسمان یافت. اما این اجرام چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟

ستاره جسمی است که به علت فرآیندهای هسته‌ای در مرکز خود دارای نور - تابش - است. این درحالی است که سیارات به خودی خود نوری ندارند و تابش انجام نمی‌دهند.

تفاوت دیگر میان این دو جرم سماوی، به موقعیت آن‌ها باز می‌گردد. ستاره‌ها موقعیت ثابتی در آسمان دارند و تنها در عرض چند میلیون سال ممکن است مکان آن‌ها در آسمان تغییر کند. اما سیارات همواره بر روی مدارهایی ثابت درحال چرخش به دور ستاره خود هستند.

به عنوان مثال، خورشید ستاره منظومه شمسی ماست و سیارات مختلف مانند زمین، عطارد، زهره، مریخ، مشتری و غیره بر روی مدارهای بیضی شکلی به طور پیوسته درحال گردش به دور آن هستند.

تفاوت سوم به دمای سطحی بازمی‌گردد. ستاره‌ها اجرام آسمانی با دمای بسیار بالا هستند، درحالیکه سیارات دمای بسیار کمی در مقایسه با ستاره‌ها دارند.

در تفاوت چهارم می‌توان به موادی اشاره کرد که این اجرام از آن‌ها ساخته شده‌اند. ستاره‌ها عمدتا از هیدروژن، هلیوم و آهن تشکیل می‌شوند. درحالیکه سیارات از ترکیبی از سنگ و خاک و گاز و مایعات بوجود می‌آیند.

ستاره‌های بالای سرتان را نگاه کنید

بسته به موقعیت جغرافیایی شما، ممکن است زمانی که به آسمان شب نگاه می‌کنید ستاره‌های بی‌شماری را ببینید که آسمان را پوشانده‌اند. حتی ممکن است به علت آلودگی نوری در منطقه‌ای که هستید، شاهد هیچ ستاره‌ای نباشید.

آلودگی نوری در شهرها و دیگر مناطق پرجمعیت رصد ستاره‌ها را تقریبا غیرممکن می‌کند. در مقابل، برخی مناطق جهان به قدری تاریک هستند که با نگاه کردن به آسمان می‌توان شاهد شکوه آسمان بود.

در قدیم، مردم باستان به دلایل مختلف به آسمان نگاه می‌کردند. آن‌ها پیکربندی‌های مختلف ستارگان را شناسایی می‌کردند تا با ردیابی حرکت آن‌ها، فصول مختلف را برای کشاورزی دنبال کنند و بتوانند در دریاها کشتی‌رانی کنند. این پیکربندی‌ها «صورت فلکی» نام دارند.

اگر در یک شب تاریک و صاف به آسمان نگاه کنید، شاهد ده‌ها صورت فلکی خواهید بود. صورت‌های فلکی نام‌ها متفاوتی دارند. نام برخی از آن‌ها از شخصیت‌های افسانه‌ای مانند «کاسیوپیا» گرفته شده است. برخی دیگر نیز به علت شباهتی که به برخی حیوانات دارند، با نام‌های «خرس کوچک» یا «سگ بزرگ» شناخته می‌شوند.

امروزه اخترشناسان از صورت‌های فلکی برای نامگذاری ستاره‌های تازه کشف شده استفاده می‌کنند.

به گذشته نگاه کنید!

همانطور که می‌دانید برای دیدن جسمی، نیاز است تا نور از آن به چشمان ما برسد. هرچه فاصله جسم از ما بیشتر باشد، نور آن مدت زمان بیشتری را در راه است. برای ستارگان که فواصل بسیار زیادی با ما دارند، میلیون‌ها سال طول می‌کشد تا نورشان به زمین برسد.

بدین ترتیب، هنگامی که به یک ستاره نگاه می‌کنیم، آنچه از آن می‎‌بینیم متعلق به گذشته آن است. درحقیقت ما در هر لحظه در حال رصد گذشته یک ستاره هستیم. به عنوان مثال، حدود هشت دقیقه طول می‌کشد تا نور خورشید به سطح زمین برسد. پس در حقیقت، ما با نگاه کردن به ستاره‌ها، به معنای واقعی کلمه درحال نگاه کردن به گذشته هستیم.

اگر از تلسکوپ برای رصد ستاره‌ها استفاده می‌کنیم، حتی می‌توانیم چند ده هزار سال پیش یک ستاره را نگاه کنیم و از عجایب آن لذت ببریم.