زندگی خورشید

چرخه زندگی خورشید و ستاره های هم سایز آن شامل چندین مرحله کلیدی هستند که هر کدام با واکنش های هسته ای متفاوت مشخص می شوند.

1. فاز رشته اصلی
-سوختن هیدروژن (همجوشی هسته ای): خورشید در حال حاضر در فاز رشته اصلی است، جایی که عمدتاً از طریق واکنش زنجیره ای پروتون-پروتون هیدروژن، را به هلیم در هسته خود می گدازد. این فرآیند در چند مرحله انجام می شود:
1. دو پروتون (هسته هیدروژن) به هم می پیوندند و دوتریوم را تشکیل می دهند و یک پوزیترون و یک نوترینو آزاد می کنند.
2. یک پروتون با دوتریوم ترکیب می شود و هلیوم 3 تولید می کند و یک فوتون گاما آزاد می کند.
3. دو هسته هلیوم-3 می توانند با هم برخورد کنند و هلیوم-4 را تشکیل دهند و دو پروتون آزاد کنند.

واکنش کلی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

4¹H → ⁴He + 2e⁺ + 2 ν + energy

2. فاز پیش از غول سرخ
– همانطور که خورشید هیدروژن را در هسته خود تخلیه می کند، شروع به انقباض و گرم شدن می کند. سوزاندن هیدروژن در پوسته ای که هسته را احاطه کرده است ادامه می یابد در حالی که خود هسته عمدتاً به هلیوم تبدیل می شود.

3. فاز غول سرخ

همانطور که لایه‌های سطحی خورشید بیشتر به بیرون رانده می‌شوند، همچنان گرما را از هسته متراکم مدفون در اعماق این پوسته در حال انبساط به دام می‌اندازند و ستاره به جسمی عظیم و درخشان به نام غول سرخ تبدیل می‌شود.

اندازه این ستارگان پیر می تواند بین 100 تا 1000 برابر خورشید باشد و سطح در حال انبساط باعث می شود دمای لایه های بیرونی تا حدود 3000 درجه سانتیگراد سرد شود (سطح خورشید امروز حدود 5500 درجه سانتیگراد است). دمای سردتر به این معنی است که این ستاره ها در قسمت قرمزتر طیف رنگ می درخشند. از این رو “غول سرخ” نامیده می شود.

همانطور که خورشید این فرآیند را طی می کند، فراتر از مدارهای سیارات درونی عطارد و زهره کشیده می شود و آنها را کاملاً در بر می گیرد و حتی ممکن است به مسیر مداری زمین برسد. با این حال، سیاره مادری ما ممکن است به طور کامل نابود نشود، زیرا در طول این انبساط، خورشید همچنان جرم خود را از دست خواهد داد: برخی برآوردها نشان می‌دهند که در بزرگ‌ترین حالت، تنها 65 تا 70 درصد ممکن است باقی بماند.

در نتیجه کشش گرانشی ضعیف می‌شود و مدار سیارات باقی‌مانده در منظومه شمسی شروع به حرکت به سمت بیرون خواهد کرد. شاید زمین یک فرار خوش شانس داشته باشد. در تمام این مدت، هسته خورشید کوچکتر و داغتر می شود، تا اینکه 12 میلیارد سال پس از تشکیل آن، یک واکنش هسته ای جدید رخ خواهد داد.

– سوختن هلیوم: هنگامی که دمای هسته به حدود 100 میلیون کلوین رسید، همجوشی هلیم از طریق فرایند آلفای سه گانه آغاز می شود:

3⁴He → ¹²C + γ

– این مرحله با ورود خورشید به مرحله غول سرخ به طور قابل توجهی منبسط می شود.

4. یک غول قرمز جدید

هسته به انقباض ادامه خواهد داد تا زمانی که دما به حدود 100 میلیون درجه سانتیگراد برسد – به اندازه ای گرم که هلیوم تولید شده در طول مصرف هیدروژن را مشتعل کرده و آن را به کربن و اکسیژن تبدیل کند. از آنجایی که هسته متراکم قادر به انبساط برای این افزایش خروجی انرژی نخواهد بود، هلیوم با خشونت شدید می سوزد و انفجاری کوتاه به نام “فلاش هلیوم” ایجاد می کند. این باعث کاهش چگالی هسته و پایداری موقت می شود، زیرا هلیوم اکنون می تواند با سرعت کنترل شده تری بسوزد.

با این حال، زمان زیادی طول نخواهد کشید تا منبع سوخت جدید مصرف شود. فقط 100 میلیون سال یا بیشتر همانطور که هلیوم به سوختن ادامه می دهد، انرژی شدیدی تولید می کند و درست مانند سوزاندن هیدروژن، این امر باعث می شود خورشید یک بار دیگر به فاز غول سرخ دوم منبسط شود.

– پس از تخلیه هلیوم در هسته، خورشید مراحل سوزاندن پوسته بیشتری را تجربه خواهد کرد:
– سوختن پوسته هیدروژنی: در خارج از هسته هلیوم اتفاق می افتد.
– سوختن پوسته هلیوم: در اطراف یک هسته کربن-اکسیژن رخ می دهد.

در این مرحله خورشید می تپد و لایه های بیرونی خود را می ریزد.

5. فاز سحابی سیاره ای
با وجود این همه انبساط و انقباض، از دست دادن جرم و مصرف سوخت، چرخه حیات خورشید هنوز به پایان نرسیده است. غول سرخ به تبدیل هلیوم به کربن و اکسیژن ادامه خواهد داد، با این حال هسته هرگز به 600 میلیون درجه سانتیگراد مورد نیاز برای احتراق آن کربن نخواهد رسید، بنابراین یک بار دیگر شروع به انقباض خواهد کرد.

همانطور که هلیوم مصرف می شود، لایه های بیرونی بیشتر به بیرون رانده می شوند و در فضا گم می شوند به طوری که حدود 12.5 میلیارد سال پس از تشکیل آن، نیمی از جرم خورشید باقی می ماند. لایه‌های بیرونی در حال گسترش توسط هسته داغ درون روشن می‌شوند و ابر کیهانی درخشانی را ایجاد می‌کنند که به عنوان «سحابی سیاره‌ای» شناخته می‌شود.

این پدیده‌ها برای ستاره‌شناسان به خوبی شناخته شده‌اند و نمونه‌ای از یک ستاره پیر در برابر جرم خورشید ما هستند، اما هیچ ارتباطی با سیارات ندارند. نام آنها صرفاً نتیجه شکل گرد و پف کرده آنها است.

6. کوتوله سفید

با متلاشی شدن لایه های بیرونی خورشید، تنها چیزی که باقی می ماند هسته ای داغ و متراکم است که به عنوان کوتوله سفید شناخته می شود . این اجرام برخی از متراکم ترین در کیهان هستند، اما معمولاً کمی بزرگتر از سیاره خودمان هستند. با این وجود، آنها می توانند به دمای بیش از 100000 درجه سانتیگراد برسند.

در مرکز سحابی حلقه جنوبی یک ستاره کوتوله سفید داغ و متراکم قرار دارد. وقتی ستاره به یک کوتوله سفید تبدیل شد، به طور دوره‌ای جرمی را به بیرون پرتاب کرد – پوسته‌هایی از مواد که در تصویر بالا می‌بینید.

بخش اعظم گرمایی که در طول فرآیند پیری خورشید در هسته تولید می‌شود، در این بقایای ستاره به دام می‌افتد و ده‌ها یا حتی صدها میلیارد سال طول می‌کشد تا خنک شود.

7. کوتوله سیاه

بقایای کوتوله سفید در نهایت تمام انرژی گرما و نور باقیمانده خود را خرج می کند و (شاید در صدها میلیارد سال) به مرحله نهایی خود محو می شود: مرحله یک کوتوله سیاه بی جان. در حال حاضر، کوتوله‌های سیاه صرفاً فرضیه‌سازی شده‌اند، زیرا کیهان با 13.8 میلیارد سال سن، هنوز به اندازه کافی پیر نشده است که بتواند کوتوله‌های سیاه را ایجاد کند، اما تصور می‌شود که این سرنوشت نهایی خورشید ما خواهد بود.

اگر بخواهیم داستان را تراژیک‌تر کنیم، جرم کم ستاره زمانی قدرتمند ما، نیروی گرانشی خود را از دست داده و باعث می‌شود که سیارات دورتر رانده شوند، چیزی بیش از سنگ‌های یخ‌زده و ذغالی.

اما، همانطور که بقایای منظومه شمسی ما در فضا گم می شوند، ذرات خورشید مرده خودمان می توانند با هم ترکیب شوند و روند تشکیل ستاره را از نو آغاز کنند. این ممکن است منجر به تشکیل سیاراتی با اجسام سنگی، جو و آب مایع شود که برای حیات جدید آماده شده اند.

خلاصه
چرخه حیات خورشید با واکنش های هسته ای قابل توجهی مشخص می شود که تکامل آن را از سوختن هیدروژن در فاز رشته اصلی به هلیوم و در نهایت همجوشی عناصر سنگین تر در مراحل بعدی هدایت می کند. در نهایت، پس از ریختن لایه های بیرونی خود به عنوان یک کوتوله سفید به زندگی خود پایان خواهد داد. این فرآیندها نه تنها خورشید را حفظ می کنند، بلکه به غنی سازی شیمیایی کیهان نیز کمک می کنند.

سرچشمه:

https://www.sciencefocus.com/space/the-life-cycle-of-a-star-how-will-our-solar-system-end