Αναστάσιος Λαυρέντζος: Η Γέννηση και ο εκρηκτικός Θάνατος των άστρων

Μεσοαστρικά νεφελώματα: λίκνα δημιουργίας νέων αστεριών

Καθημερινά οι άνθρωποι βλέπουν τον Ήλιο να ανατέλλει και να δύει. Λίγοι όμως αναλογίζονται ότι ο Ήλιος δεν είναι παρά απλώς το πιο κοντινό μας αστέρι. Στην ευρύτερη γειτονιά, στον Γαλαξία μιας, υπάρχουν περίπου 200 δισεκατομμύρια παρόμοια άστρα, συνήθως μεγαλύτερα από τον Ήλιο, ενώ στο έως τώρα ορατό μέρος του Σύμπαντος υπολογίζεται ότι υπάρχουν περίπου 200 δισεκατομμύρια γαλαξίες! Παντού λοιπόν γύρω μας υπάρχουν άστρα. Τα πιο κοντινά και πιο φωτεινά από αυτά τα βλέπουμε στον νυκτερινό ουρανό. Πώς όμως δημιουργήθηκαν όλα αυτά τα άστρα και ποιά θα είναι η εξέλιξή τους; Σε αυτά τα ερωτήματα και σε ορισμένα άλλα, πολύ πιο ενδιαφέροντα, θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε στη συνέχεια.

Η Μεγάλη Έκρηξη

Σύμφωνα με την καθιερωμένη πλέον αντίληψη στη Φυσική, ολόκληρο το Σύμπαν έχει προέλθει από μια αρχική έκρηξη (Big Bang), η οποία έγινε πριν από περίπου 20 δισεκατομμύρια χρόνια. Η Μεγάλη αυτή Έκρηξη είναι ακόμη σε εξέλιξη. Τη «στιγμή» που συνέβη, όλη η ύλη και η ενέργεια του Σύμπαντος ήταν συγκεντρωμένη σε ένα υπέρπυκνο σημείο! Με την έκρηξη αυτού του «μαθηματικού σημείου», ξεκίνησε ο χρόνος. Έκτοτε ξεκίνησε και το Σύμπαν να εκτείνεται και να μετασχηματίζεται «καθ’ οδόν». Σε κάποια φάση, καθώς το Σύμπαν επεκτεινόμενο εψύχετο, ελεύθερα πρωτόνια (+) και ηλεκτρόνια (), δεσμεύτηκαν σε ζεύγη εξ αιτίας της αμοιβαίας τους έλξης και συγκρότησαν τα πρώτα και απλούστερα άτομα, τα άτομα του Υδρογόνου (ένα άτομο που αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα μοναχικό ηλεκτρόνιο που περιφέρεται γύρω του). Ο Κόσμος στην πρώιμη αυτή φάση αποτελείτο από διάχυτα νέφη Υδρογόνου. Πώς όμως από ένα Σύμπαν πλημμυρισμένο με Υδρογόνο, προήλθαν όλα τα άλλα βαρύτερα στοιχεία, όπως π.χ. ο Άνθρακας, το Οξυγόνο, το Άζωτο, τα βαρύτερα μέταλλα και όλα εκείνα τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται το σώμα μας; Θα δείξουμε στη συνέχεια ότι όλα αυτά σχηματίστηκαν σε τεράστια κοσμικά «καμίνια», που δεν είναι άλλα από τα πανταχού παρόντα άστρα, και ότι η ύλη από την οποία αποτελούμαστε δεν είναι παρά η «στάχτη» πεθαμένων αστεριών (!)…

Η γέννηση ενός άστρου…

Σε μια περιοχή του Σύμπαντος όπου υπάρχει διάχυτο αέριο Υδρογόνο (μεσοαστρικά νεφελώματα) είναι πιθανόν να προκύψει κάποια πύκνωση του αερίου. Αυτή τότε μέσω της βαρυτικής έλξης θα λειτουργήσει ως σημείο έλξης των παρακείμενων αερίων μαζών που θα κινηθούν στροβιλιζόμενες προς το μέρος της. Έτσι σχηματίζεται μια αρκετά πυκνή αέρια μάζα, η οποία λόγω της ίδιας της βαρύτητας έχει την τάση να συρρικνωθεί. Όσο η αέρια μάζα μικραίνει (δηλαδή όσο πυκνώνει), τόσο αυξάνονται οι ταχύτητες των σωματιδίων που την αποτελούν (κυρίως Υδρογόνο). Σε κάποια φάση οι αποστάσεις μεταξύ των σωματιδίων έχουν μειωθεί αρκετά και οι ταχύτητές τους έχουν αυξηθεί τόσο πολύ, ώστε να αρχίσουν να συγκρούονται μεταξύ τους. Σε αυτή τη φάση το αέριο σώμα αρχίζει να εκπέμπει θερμική ακτινοβολία. Τώρα πια είναι μια περιστρεφόμενη σφαίρα υπέρθερμου αερίου. Είναι τότε που λέμε ότι έχει σχηματιστεί ένας πρωταστέρας.

Η εξέλιξη ενός άστρου…

Η εξέλιξη που θα έχει στη συνέχεια το νεαρό άστρο, θα εξαρτηθεί από τη μάζα του. Σε γενικές γραμμές όμως θα είναι ένας αδιάκοπος αγώνας ενάντια στη βαρυτική του σύνθλιψη. Πράγματι, η προς τα μέσα πίεση της βαρύτητας θα τείνει να το συμπιέσει όσο γίνεται περισσότερο, ενώ η εσωτερική του πίεση (που εξαρτάται κυρίως από τη θερμοκρασία του) θα αντιστέκεται στη συμπίεση αυτή. Αν ο πρωταστέρας έχει αρκετή μάζα (περίπου όσο ο Ήλιος μας ή μεγαλύτερη), η θερμοκρασία στον πυρήνα του θα μπορέσει να φτάσει τα 10 εκατομμύρια βαθμούς Kelvin, με αποτέλεσμα να ξεκινήσει μια αλυσιδωτή διαδικασία πυρηνικής σύντηξης: υπεραταχέως κινούμενα άτομα Υδρογόνου (Η), συγκρουόμενα θα συσσωματώνονται σε άτομα Ηλίου (He). Έτσι σταδιακά το αστέρι θα αποκτά μια «καρδιά» από Ήλιο, ενώ στην περιφέρειά του θα εξακολουθεί να αποτελείται κυρίως από Υδρογόνο. Η τεράστια ενέργεια που απελευθερώνεται με την πυρηνική σύντηξη διαχέεται προς τα έξω με την μορφή ακτινοβολίας. Με την πίεση που αυτή ασκεί στα υπερκείμενα στρώματα, το αστέρι διατηρείται συνολικά σε ισορροπία. Αυτή είναι η ακτινοβολία που εκμπέμπει ο Ήλιος μας και μας θερμαίνει, συντηρώντας τον πλανήτη μας στη ζωή.

Κάποια στιγμή (μετά από αρκετά εκατομμύρια χρόνια) το Υδρογόνο που βρίσκεται στον πυρήνα του αστεριού θα μετατραπεί πλήρως σε Ήλιο. Τότε πρακτικά σβήνει το πυρηνικό καμίνι που συντηρεί το αστέρι σε ισορροπία και η καιροφυλακτούσα βαρύτητα βρίσκει την ευκαιρία να το συρρικνώσει. Το αποτέλεσμα είναι να αυξηθεί η θερμοκρασία του. Τώρα η μετατροπή του Υδρογόνου σε Ήλιο αρχίζει να γίνεται και στα ανώτερα στρώματα του άστρου, αλλά όταν η θερμοκρασία ξεπεράσει ένα όριο, δίνεται το έναυσμα για μια νέα διαδικασία σύντηξης στον πυρήνα: την πυρηνική καύση του Ηλίου και τη σταδιακή μετατροπή του σε Άνθρακα (C). Έτσι το αστέρι αρχίζει να μοιάζει με ένα κρεμμύδι: στον πυρήνα του έχει Άνθρακα, στα ενδιάμεσα στρώματα κυριαρχεί το Ήλιο και στα εξωτερικά που δεν έχουν ακόμη προλάβει να «καούν» κυριαρχεί το Υδρογόνο. Αυτή η διαδικασία καύσης-εξάντλησης του καυσίμου-νέας συμπίεσης-νέας θέρμανσης θα συνεχιστεί αν το αστέρι έχει αρκετά μεγάλη μάζα. Το αποτέλεσμα θα είναι η παραγωγή όλο και βαρύτερων στοιχείων. Θα φτάσουμε έτσι σε ένα αστέρι που θα έχει αποκτήσει καρδιά από σίδηρο (Fe), η οποία θα περιβάλλεται από επάλληλες «στρώσεις» που θα αποτελούνται από Πυρίτιο (Si), Οξυγόνο (Ο), Νέον (Ne), Άνθρακα (C), Ήλιο (He) και Υδρογόνο (H).

Η διαστρωμάτωση ενός μεγάλου άστρου στο τελευταίο στάδιο της ζωή του.

Έκρηξη υπερκαινοφανούς (Supernova): η βαρυτική κατάρρευση των μεγάλων άστρων

Στην παραπάνω κατάσταση φτάνουν μόνο τα αρκετά μεγάλα άστρα (μερικές δεκάδες φορές μεγαλύτερα από τον δικό μας Ήλιο). Τί γίνεται όμως όταν το άστρο φτάσει στο σημείο να έχει μια «σιδερένια καρδιά»; Αντιμετωπίζει για πολλοστή φορά ενεργειακή κρίση, αλλά αυτή τη φορά χωρίς τη δυνατότητα να την ξεπεράσει: ο σίδηρος (Fe) είναι ο σταθερότερος πυρήνας στη φύση και έτσι η διαδικασία που περιγράψαμε προηγουμένως σταματά. Αυτή τη φορά η βαρύτητα κερδίζει οριστικά! Ξεκινάει τότε η πιο εντυπωσιακή και η πιο βίαιη αστρική διαδικασία που μπορεί να παρατηρήσει κανείς στο Σύμπαν: η σιδερένια καρδιά του άστρου καταρρέει υπό την επίδραση της βαρύτητας με αποτέλεσμα η πυκνότητα του αστρικού πυρήνα να αυξηθεί δραματικά, φθάνοντας τελικά στα 1 τρισεκατομμύρια γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό (1015 gr/cm3)! Σε αυτή την πυκνότητα οι πυρήνες σιδήρου έχουν πλήρως αποσυντεθεί και τα φορτία (πρωτόνια και ηλεκτρόνια) έχουν αλληλοεξουδετερωθεί. Όλοκληρη η καρδιά του άστρου έχει μετατραπεί σε ένα είδος γιγαντιαίου ατομικού πυρήνα, ο οποίος είναι πρακτικά ασυμπίεστος. Ενώ συμβαίνουν αυτά, τα υπερκείμενα στρώματα του άστρου «παρακολουθούν» τις εξελίξεις από μερικές χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά, και καθώς δεν υπάρχει τίποτε να αντισταθεί στη βαρύτητα που τα τραβά προς το κέντρο, αρχίζουν να πέφτουν… Τα στρώματα αυτά θα προσκρούσουν πάνω στον σκληρό πυρήνα του άστρου με ασύλληπτη ταχύτητα με αποτέλεσμα να εκδηλωθεί στη συνέχεια ένα ωστικό κύμα ανάκρουσης που θα εκτινάξει προς τα πίσω το περίβλημα του αστεριού. Μέσα από αυτή την εξαιρετικά βίαιη διαδικασία θα σχηματιστούν και άλλα βαριά στοιχεία εμπλουτίζοντας τον μεσοαστρικό χώρο με άτομα που δεν υπήρχαν πριν. Για κάποιον που τα παρατηρεί όλα αυτά, το φαινόμενο παρουσιάζεται με τη μορφή μια εντυπωσιακής αστρικής έκρηξης. Έχουμε όπως λέμε τότε την έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς αστέρα, του οποίου η λαμπρότητα είναι τέτοια, ώστε για μερικά δευτερόλεπτα να «επισκιάσει» ολόκληρο τον μητρικό του γαλαξία!

Τα εντυπωσιακά υπολείμματα ενός μεγάλου άστρου που εξερράγη στο τέλος της ζωή του (supernova). Πηγή: NASA

Γένεση, θάνατος, μετασχηματισμός…

Με την εξαιρετικά σύνθετη διεργασία που (πολύ απλουστευμένα) περιγράψαμε, δείξαμε πώς στο Σύμπαν, στο οποίο αρχικά υπήρχε κυρίως Υδρογόνο (και σε μικρότερο ποσοστό Ήλιο), σχηματίστηκε ο Σίδηρος που υπάρχει στα ερυθρά μας αιμοσφαίρια, το Ασβέστιο που υπάρχει στα οστά μας, ο Άνθρακας από τον οποίο κυρίως αποτελούνται οι ζωντανοί οργανισμοί, το Οξυγόνο που αναπνέουμε… Αυτή είναι η φαντασμαγορία του φυσικού κόσμου: ένας αέναος μετασχηματισμός, όπου οι λέξεις Γένεση και Θάνατος είναι συμβατικά ορόσημα μεταξύ κύκλων δημιουργίας και εξέλιξης….

Αναστάσιος Λαυρέντζος

Twitter: @LavrentzosA

Ο συγγραφέας του άρθρου έχει πτυχίο Φυσικής (Παν/μιο Αθηνών) και μεταπτυχιακό δίπλωμα (MSc) Θεωρητικής Φυσικής (Παν/μιο Κρήτης). Έχει επίσης μεταπτυχιακό δίπλωμα (MSc) Οικονομικών Μαθηματικών (Οικονομικό Παν/μιο Αθηνών).