اللهم صل علی محمد و آل محمد و عجل فرجهم

رنگ ستاره‌ها و ارتباط آن با دمای سطح ستاره

رنگ ستاره

رنگ ستاره‌ها

بسیاری از ستاره‌های آسمان در شب، سفید به نظر می‌رسند، اما اگر طیف نور آن‌ها را با ابزارهای دقیق نجومی بسنجیم، خواهیم دید که بعضی از آن‌ها سفید، برخی دیگر زرد، نارنجی یا آبی و بسیاری از آن‌ها سرخ هستند. علت تفاوت رنگ ستاره‌ها دمای متفاوت آن‌هاست. داغ‌ترین ستاره‌ها آبی و کم‌دماترین ستاره‌ها سرخ هستند. در این مطلب، با جزییات بیشتری توضیح می‌دهیم که چرا رنگ ستاره‌ها متفاوت است و هر ستاره بسته به دمای سطح خود چه رنگی دارد. برای این منظور، ارتباط دمای سطح ستاره با رنگ ستاره را بررسی می‌کنیم. سپس درباره نمودار هرتسپرونگ-راسل توضیح می‌دهیم و بعد، دسته‌بندی ستاره‌ها برحسب دما و تابندگی‌شان را بیان می‌کنیم.

مطلب مرتبط: ستاره چیست و چگونه تشکیل می‌شود

علت تفاوت رنگ ستاره‌ها: چرا رنگ ستاره‌ها متفاوت است

رنگ هر ستاره به دمای موثر یا دمای سطح آن ستاره بستگی دارد. دمای سطح ستاره‌ها از چندهزار درجه تا ۳۰,۰۰۰ الی ۴۰,۰۰۰ درجه کلوین متغیر است (۱ درجه سانتی‌گراد معادل تقریبا ۲۷۲- کلوین است و هرچه دما بیشتر باشد، این اختلاف کمتر به چشم می‌آید). تصویر ۱، رنگ‌های مختلف ستارگان و دمای آن‌ها را نشان می‌دهد. ذیل هر کدام، نام یکی از ستاره‌های هم‌رنگ نیز برای نمونه درج شده است.

دما و رنگ ستارگان

تصویر ۱. دما و انواع رنگ ستاره‌ها و نام نمونه‌ای از ستاره‌های هر گروه

 

مطلب مرتبط: ستاره ابرغول زرد چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

چرا داغ‌ترین ستاره‌ها آبی هستند؟

کم‌دماترین یا اصطلاحا خنک‌ترین ستاره‌ها سرخ و داغ‌ترین ستاره‌ها آبی هستند. باقی ستاره‌ها نیز بسته به دمای‌ سطح‌شان ممکن است به زرد، نارنجی یا سفید مایل باشند. شاید این موضوع در نگاه نخست عجیب باشد، چون معمولا در ذهن ما انسان‌ها رنگ سرخ نماد گرما و رنگ آبی نماد سرما است. سرخ و قرمز آتش را به‌یادمان می‌اندازد و آبی یادآور آب است. اما واقعیت‌های فیزیکی چیز دیگری می‌گویند.

اگر گذرتان به یکی از کارگاه‌ها یا کارخانه‌های ذوب فلزات بیافتد، خواهید دید که وقتی یک تکه آهن را حرارت می‌دهید، رنگ آن کم‌کم سرخ می‌شود. اگر گرما را افزایش دهید، آهن از سرخ به نارنجی تغییر رنگ می‌دهد و اگر دما باز هم افزایش یابد، آهن بیشتر می‌درخشد و مثل خورشید زرد می‌شود. با افزایش بیش از پیش دما، درخشندگی آهن نیز افزایش می‌یابد و رنگ آن سفید می‌شود. و سرانجام وقتی دما فوق‌العاده‌ افزایش یابد، درخشش آهن چشم را خیره می‌کند و رنگ آن به آبی تغییر می‌یابد. در ستاره‌ها نیز چنین اتفاقی می‌افتد و هرچه دمای ستاره بیشتر شود، رنگش از طیف سرخ به طیف آبی تمایل می‌یابد.

ستاره‌های داغ، آبی به‌نظر می‌رسند چون بیشترین انرژی در بخش‌های آبی طیف نور مرئی منتشر می‌شود. ستاره‌های خنک چون انرژی گرمایی کمتری دارند، انتشار نور آبی آن‌ها کمتر است و لذا سرخ دیده می‌شوند.

ستاره ژوبین‌دار یا نگهبان شمال (Arcturus)

تصویر ۲. ستاره ژوبین‌دار یا نگهبان شمال (Arcturus) از نظر جرم، غول نارنجی محسوب می‌شود.

مطلب مرتبط: ستاره نوترونی چیست و چگونه پدید می‌آید

علت تغییر رنگ ستاره‌ها

ستاره‌ها مثل کوره‌های عظیمی از آتش هستند که هر ثانیه میلیون‌ها تن هیدروژن یا گازهای دیگر را در اثر گداخت یا هم‌جوشی هسته‌ای می‌سوزانند و آن‌ها را به عناصر سنگین‌تر تبدیل می‌کنند و انرژی حاصل از هم‌جوشی هسته‌ای به‌شکل نور و گرما در فضا منتشر می‌شود. همه ستاره‌ها هنگام تولدشان جرم یکسانی ندارند و پس از تولدشان نیز پیوسته یک‌سان باقی نمی‌مانند بلکه طی میلیون‌ها و یا میلیاردها سال مراحل مختلفی را پشت سر می‌گذارند و اصطلاحا تکامل می‌یابند. بر همین اساس معمولا طی روند تکامل‌شان بارها تغییر رنگ می‌دهند، زیرا دمای سطح آن‌ها تغییر می‌کند. در برخی مراحل حتی جرم و حجم ستاره نیز تغییر می‌یابد و برای مثال، برخی از آن‌ها به کوتوله سفید و برخی دیگر به ستاره‌های غول یا حتی به ستاره‌های فراغول تبدیل می‌شوند.

اما اصلی که به‌آن اشاره شد همواره ثابت است: هرچه دمای ستاره‌ کاهش یابد رنگ آن به طیف سرخ متمایل می‌شود و هرچه دمای آن بیشتر شود، رنگ آن به طیف سفید یا آبی تمایل می‌یابد.

ستاره کرکس نشسته یا نسر واقع (Vega)

تصویر ۳. کرکس نشسته یا نسر واقع (Vega) با دمای ۹۵۰۰ کلوین معادل حدود ۹۵۰۰ درجه سانتی‌گراد ستاره سفیدی است که حدود ۴۰ بار از خورشید تابنده‌تر است.

مطلب مرتبط: تپ‌اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

نمودار هرتسبرونگ-راسل

با دانستن جرم اولیه یک ستاره می‌توان روند تکامل آن‌را تا حد قابل‌قبولی پیش‌بینی کرد. باتوجه به همین واقعیت، نموداری طراحی شد که امروزه به نمودار هرتسبرونگ-راسل معروف است. نمودار هرتسبرونگ راسل نشان می‌دهد که هر ستاره بسته به جرم اولیه خود چه مراحلی را می‌گذارند و در هر مرحله، جرم، حجم، دما و رنگ آن به چه تغییراتی دچار می‌شود. و لذا با دقت در چنین نموداری حتی می‌توان آینده خورشید و جرم و رنگ آن طی حدودا ۵ میلیارد سال آینده را تصور کرد.

موقعیت ستاره کرکس نشسته در نمودار هرتسپرونگ-راسل

مطلب مرتبط: کهکشان چیست و چگونه تشکیل‌ می‌شود

دسته‌بندی ستاره‌ها بر حسب دما و رنگ

همانطور که گفته شد، تفاوت دما علت تفاوت رنگ ستاره‌‌ها است. ستاره‌ها برحسب دمای‌شان معمولا به ۱۱ دسته تقسیم می‌شوند. ستاره‌های آبی تا سرخ را به‌ترتیب با حروف O و B و A و F و G و K و M نشان می‌دهند. یعنی ستاره‌های O آبی هستند و رنگ ستاره‌های M سرخ است.

لازم است به نوع خاصی از ستاره‌ها موسوم به کوتوله‌های قهوه‌ای نیز اشاره کنیم که دمای آن‌ها حتی از ستاره‌های سرخ نیز کمتر است. کوتوله‌های قهوه‌ای مانند هر ستاره دیگر ابتدا پیش‌ستاره‌ بودند؛ اما چون دمای آن‌ها به‌اندازه لازم افزایش نیافت، نتوانستند هم‌جوشی را آغاز کنند. لذا کوتوله‌های قهوه‌ای مدتی نورافشانی می‌کنند و بعد از مدت کوتاهی خاموش می‌شوند. پس بدیهی است که دمای سطح آن‌ها حتی از دمای سطح ستاره‌های سرخ نیز کمتر است. ستاره‌شناسان برای نشان دادن دمای کوتوله‌های قهوه‌ای یکی از چهار حرف R، N، T یا Y را به‌کار می‌برند که کمترین دما به گروه Y تعلق دارد.

مطلب مرتبط: هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید و ستارگان چیست و چگونه انجام می‌شود

جدول دسته‌بندی ستاره‌ها برپایه دما و رنگ

این جدول، دسته‌بندی ستاره‌ها و دما و رنگ هر گروه را نشان می‌دهد. دسته‌بندی کوتوله‌های قهوه‌ای و دمای آنها نیز در این جدول مشخص است.

جدول دمای ستاره‌ها

تصویر ۵. دمای سطح ستاره‌ها برحسب سانتی‌گراد

مطلب مرتبط: ستاره‌ فراغول‌ چیست و چه ویژگی‌هایی دارد

جدول انواع رنگ و دمای ستاره‌ها

همانطور که گفته شد، علت تفاوت رنگ ستاره‌ها دمای آن‌هاست. این موضوع در جدول ۱ نیز نشان داده شده است. دمای سطح ستاره‌هایی با رنگ‌های مختلف چنین است:

رنگ ستاره دمای تقریبی سطح ستاره (سانتی‌گراد) مقایسه با خورشید
آبی ۳۰,۰۰۰ و بیشتر داغ‌ترین ستاره‌هایی که تاکنون کشف شده‌اند
آبی-سفید ۲۰,۰۰۰ بسیار داغ‌تر از خورشید
سفید ۱۰,۰۰۰ بسیار گرم‌تر از خورشید
سفید-زرد ۷,۰۰۰ گرم‌تر از خورشید
زرد ۶,۰۰۰ خورشید جزو این دسته است
نارنجی ۵,۰۰۰ خنک‌تر از خورشید
سرخ (قرمز) ۳,۰۰۰ کم‌دماترین و بیشترین ستاره‌هایی که تاکنون کشف شده‌اند

مطلب مرتبط: سحابی چیست و چگونه تشکیل می‌شود

واحد سنجش دمای ستارگان (کلوین یا سانتی‌گراد؟)

دمای ستاره‌ها را معمولا با واحد کلوین نشان می‌دهند. هر کلوین حدود ۲۷۲- درجه سانتی‌گراد است، به عبارت دقیق‌تر:

۱°K =  -۲۷۲.۱۵°C

 

هنگام سنجش دما در زمین، اختلاف درجه کلوین و سانتی‌گراد محسوس است و مثلا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد معادل حدود ۳۰۰ درجه کلوین است. اما وقتی دما از چندهزار درجه فراتر می‌رود، این اختلاف دیگر چندان تعیین‌کننده نیست. برای مثال، دمای سطح خورشید ۵۷۷۸ کلوین است که اگر آن‌را به سانتی‌گراد تبدیل کنیم، حدود ۵۵۰۵ درجه سانتی‌گراد می‌شود. لذا وقتی از دمای چندین‌هزار درجه‌ای ستارگان سخن می‌گوییم خیلی تفاوتی ندارد که آن‌را با کلوین نشان دهیم یا با سانتی‌گراد.

مطلب مرتبط: سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود

رابطه دما، جرم و رنگ ستاره‌های رشته اصلی

در نمودار هرتسبرونگ-راسل ستاره‌های رشته اصلی آن‌هایی هستند که هم‌جوشی هسته‌ای و سوزاندن هیدروژن را آغاز کرده‌اند. در این مرحله، اتم‌های هیدروژن در اثر افزایش دما با شدت به هم برخورد می‌کنند و به‌هم جوش می‌خورند و نتیجتا اتم سنگین‌تری موسوم به هلیوم تشکیل می‌دهند. رنگ ستاره‌های رشته اصلی به دمای سطح آن‌ها بستگی دارد و دما نیز معمولا با جرم ستاره رابطه مستقیم دارد. یعنی هرچه جرم ستاره بیشتر باشد، دمای آن در دوره‌های مختلف زندگیش بیشتر خواهدبود.

مطلب مرتبط: تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند: انواع تلسکوپ‌ها و ساختار آن‌ها

اهمیت خطوط طیفی و رنگ ستاره

وقتی ستاره تازه متولدشده، هم‌جوشی هسته‌ای را آغاز می‌کند، معمولا جز هیدروژن هیچ گاز دیگری ندارد. هر اتم هیدروژن در هسته خود تنها یک پروتون دارد و یک الکترون نیز به‌دور هسته می‌چرخد. وقتی دو اتم هیدروژن با هم جوش می‌خورند، یک اتم هلیوم پدید می‌آید که چون دو پروتون دارد، عنصر سنگین‌تری است. با تداوم هم‌جوشی هسته‌ای عناصر سنگین‌تری پدید می‌آیند و معمولا این روند تا تشکیل اتم‌های آهن ادامه می‌یابد.

عناصر جدول تناوبی می‌توانند به گاز و پلاسما تغییر حالت دهند و طیف نور منحصربه‌فردی منتشر کنند. هر طیف، بسامد و ویژگی‌های خاص خود را دارد، یعنی خط طیف هر عنصر مختص همان عنصر است. درنتیجه، با بررسی خطوط طیف هر ستاره می‌توان به عناصر موجود در آن ستاره پی برد. اطلاعاتی که از این طریق به‌دست می‌آید، شگفت‌انگیز است، زیرا نه فقط نوع عناصر ستاره بلکه مقدار آن عناصر، سرعت حرکت آن‌ها و نیز دما و حتی جرم و اندازه ستاره را مشخص می‌کند.