ستاره رشته اصلی چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟
ستارگان رشته اصلی
ستاره رشته اصلی چیست: به ستاره‌ای که گداخت هسته‌ایِ هیدروژن و تبدیل آن به هلیوم را در هسته خود آغاز کرده است، ستاره رشته اصلی میگویند. در واقع، «رشته اصلی» مرحله‌ای است که ستاره‌ها بیشتر عمر خود را در آن می‌گذرانند. ستاره، گوی متراکمی از پلاسما است که در اثر گداخت یا هم‌جوشی هسته‌ای، گرما و نور منتشر می‌کند. بعضی از ستاره‌ها میلیون‌ها سال و بعضی دیگر میلیاردها سال پابرجا می‌مانند، اما در هر صورت، بخش اعظم زندگی خود را در رشته اصلی سپری می‌کنند. ستاره‌ها از زمانی که پدید می‌آیند تا زمانی که خاموش می‌شوند شرایط یکسانی ندارند، بلکه طی چند مرحله از وضعیتی به وضعیت دیگر تغییر می‌یابند. در ادامه با جزییات بیشتری توضیح می‌دهیم که منظور از ستاره رشته اصلی چیست و ستاره‌های رشته اصلی چه ویژگی‌هایی دارند.
رشته اصلی در نمودار هرتسپرونگ-راسل چیست؟
«رشته اصلی» نام مرحله خاصی از زندگی ستارگان در نمودار هرتسپرونگ-راسل است. نخستین بار، «اینار هرتسپرونگ (هرتس‌اشپرونگ)» و «هنری نوریس راسل» با تدوین نموداری معروف به نمودار هرتسپرونگ-راسل، روند دگرگونی ستارگان مختلف را نشان دادند و ستارگانی را که وارد مرحله گداخت هسته‌ای هیدروژن شده‌اند، ستارگان رشته اصلی نامیدند (تصویر ۱ را ببینید). ستاره‌ها حدود ۹۰ درصد زندگی خود را در رشته اصلی سپری می‌کنند.
تصویر ۱. نمودار هرتسپرونگ راسل: به جایگاه ستارگان رشته اصلی در نمودار توجه کنید.
به ستاره‌ای که گداخت هسته‌ای و تبدیل هیدروژن به هلیوم را در هسته خود آغاز کرده است، ستاره رشته اصلی می‌گوییم.
ستاره رشته اصلی چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟
پیش از آنکه وارد جزییات شویم، ابتدا بهتر است روند تولد ستاره‌ها را مرور کنیم. روند تشکیل ستاره‌ها را می‌توان در چند گام خلاصه کرد:
- ستاره‌ها درون سحابی‌های خاصی موسوم به ابرهای مولکولی پدید می‌آیند که عمدتا حاوی مولکول هیدروژن هستند.
- عواملی همچون امواج ناشی از انفجار ابرنواختر یا گرانش ستاره‌های مجاور، ابر مولکولی را به چرخش وامی‌دارند.
- ابر مولکولی در اثر چرخش سریع و مداوم به توده بسیار متراکمی تبدیل می‌شود.
- با افزایش جرم توده، دمای مرکزی آن شدیدا افزایش مییابد.
- چنانچه دمای توده متراکم ملکول‌های هیدروژن به حدود ۱۰ میلیون درجه سانتی‌گراد برسد، به‌آن پیش‌ستاره میگویند.
- در دمای تقریبا ۱۰ میلیون درجه سانتی‌گراد، گداخت هسته‌ای در مرکز توده آغاز و پیش‌ستاره به ستاره تبدیل می‌شود.
- در اثر هم‌جوشی یا گداخت هسته‌ای، هیدروژن در مرکز ستاره به هلیوم تبدیل می‌شود.
- در این‌صورت ستاره اصطلاحا وارد مرحله رشته اصلی می‌شود و بیشتر زندگی خود را در این مرحله می‌گذراند.
ستاره‌هایی که در مرحله رشته اصلی هستند، طی فرآیند هم‌جوشی هسته‌ای، هیدروژن را در مرکز خود می‌سوزانند و انرژی حاصل از آن را به شکل نور و گرما آزاد می‌کنند. در اثر هم‌جوشی هسته‌ای، هیدروژن به هلیوم تبدیل می‌شود. ستاره‌ها حدود ۹۰ درصد زندگی خود را در رشته اصلی سپری می‌کنند.
تعادل هیدرواستاتیک ستاره
ستاره‌ها جرم بسیاری دارند و می‌دانیم که هر چه جرم یک شیء بیشتر باشد، گرانش یا نیروی جاذبه آن نیز بیشتر است. بر همین اساس، ستاره‌ها گرانش شدیدی دارند و می‌دانیم که جهت نیروی گرانش، رو به درون است؛ یعنی گرانشِ مرکزیِ ستاره، تمام جرم ستاره را رو به درون می‌فشارد و می‌خواهد ستاره را مچاله کند یا اصطلاحا برمباند. اما هم‌جوشی هسته‌ای در مرکز ستاره، در جهت عکس عمل می‌کند؛ یعنی فشار آن رو به بیرون است و می‌خواهد ذرات و گازهای ستاره را بیرون بپاشد. پس اگر نیروی جاذبه یا گرانش ستاره نبود، تمام گازها و مواد تشکیل‌دهنده ستاره در فضا پراکنده می‌شد. متقابلاً اگر فشار ناشی از گداخت هسته‌ای نبود، نیروی گرانش، ستاره را درهم‌می‌فشرد و له می‌کرد. اما گرانش و نیروی فشار ستاره اثر هم را خنثی و اصطلاحا تعادل هیدرواستاتیکی ایجاد می‌کنند.
تعادل هیدرواستاتیک، ستاره را پایدار نگه می‌دارد و هم از رمبیدن و هم از واپاشی ستاره‌های رشته اصلی جلوگیری می‌کند. و ضمنا تعادل هیدرواستاتیک سبب می‌شود تا ستاره شکل کروی خود را حفظ کند.
اگر مقدار انرژی آزاد شده از ستاره کاهش یابد، تعادل گرانش و فشار به‌هم می‌خورد. در نهایت، گرانش غلبه مییابد و نتیجتا ستاره فشرده و متراکم می‌شود. شدت فشار در هسته ستاره، دما را بیش از پیش افزایش می‌دهد و نتیجتا هسته‌ی ستاره انرژی بیشتری منتشر می‌کند. با افزایش انتشار انرژی، فشارِ برون‌سویِ گازها نیز افزایش مییابد تا این‌که مجددا با نیروی درون‌سویِ گرانش به تعادل می‌رسد و روند رمبش یا درهم‌فشردگی ستاره متوقف می‌شود.
ویژگی‌های ستاره رشته اصلی چیست
مهم‌ترین ویژگی ستاره‌های رشته اصلی، منبع انرژی آن‌هاست. ستاره‌هایی که هم‌جوشی هسته‌ای را آغاز کرده‌اند و طی این فرآیند، هیدروژن را در هسته خود به هلیوم تبدیل می‌کنند، ستاره‌های رشته اصلی هستند. سرعت هم‌جوشی هسته‌ای و نیز حجم سوخت موجود در ستاره به جرم آن بستگی دارد. جرم ستاره مشخص می‌کند که آن ستاره چه‌مدت زمانی را در رشته اصلی سپری خواهدکرد. ضمنا اندازه ستاره و تابندگی آن نیز با جرم ستاره رابطه دارد. ستاره‌های رشته اصلی مدتی طولانی بی‌تغییر به‌نظر می‌رسند.
مدت باقی ماندن ستاره در رشته اصلی به جرم ستاره بستگی دارد. ستاره‌هایی که بسیار پرجرم هستند، سوخت خود را زودتر تمام می‌کنند. وقتی سوخت ستاره تمام می‌شود تعادل نیروی فشار و گرانش آن مجددا به‌هم می‌خورد. در این مرحله، ستاره منبسط می‌شود و دمای آن کاهش مییابد و ستاره به غول سرخ یا به ابرغول سرخ تبدیل می‌شود. در ادامه، چرخه زندگی ستارگان رشته اصلی و ارتباط آن با جرم ستاره را بیشتر بررسی می‌کنیم.
چرخه حیات ستاره‌های رشته اصلی
بیشتر عمر ستاره‌ها در رشته اصلی می‌گذرد. لذا رشته اصلی در مقایسه با سایر دوره‌های حیات ستاره، بسیار طولانی‌تر است. برای مثال، تولد خورشید تنها حدود ۲۰ میلیون سال طول کشیده است اما مدت زندگی خورشید در رشته اصلی حدود ۱۰ میلیارد است که تاکنون حدود ۴.۵ سال آن‌را گذرانده است. خورشید پس از خروج از رشته اصلی به غول سرخ تبدیل خواهدشد.
نسبت جرمِ ستاره با دوره حیات آن در رشته اصلی
همه ستاره‌های رشته اصلی جرم یکسانی ندارند. جرم ستاره‌های رشته اصلی یا در واقع، مقدار سوخت آنها متفاوت است. شاید گمان کنید که هرچه جِرم یا سوختِ ستاره بیشتر باشد، بیشتر عمر می‌کند. اما قضیه برعکس است! ستاره‌هایی که جرم بیشتری دارند، گرانش‌شان شدیدتر و درنتیجه، هسته آنها داغ‌تر است. هرچه دما بیشتر باشد، واکنش‌های هسته‌ای سریع‌تر رخ می‌دهند.
بنابراین ستاره‌هایی که جرم بیشتری دارند سوخت خود را بسیار سریع‌تر می‌سوزانند و در مقایسه با ستاره‌های کم‌جِرم زندگی کوتاه‌تری دارند. لذا دوره حیات ستاره‌های مختلف در رشته اصلی بسیار با هم فرق دارد. مثلا دوره حیات خورشید ما در رشته اصلی حدود ۱۰ میلیارد سال است که حدود ۴.۵ میلیارد سال آن گذشته و حدود ۵.۵ میلیارد سال آن باقی مانده است. ستاره‌ای که جرم آن ۱۰ برابر جرم خورشید باشد، فقط ۲۰ میلیون سال را در رشته اصلی سپری می‌کند که در مقیاس کیهانی زمان کوتاهی است. اما اگر جرم ستاره‌ای فقط نصف جرم خورشید باشد، ۸۰ میلیارد سال در رشته اصلی باقی می‌ماند که بسیار بیشتر از عمر کنونی جهان است. یعنی تمام ستاره‌های کم‌جرمی که هم‌اکنون در عالم وجود دارند، هیچ‌کدام‌شان هنوز از رشته اصلی خارج نشده‌اند!
تصویر ۲. رابطه معکوس بین جرم و دوره زندگی ستاره (تصویرسازی: emadelm.ir)
جرم ستاره‌ای
موقعیت ستاره در رشته اصلی تابعی از جرم آن است. به معادله مذکور، معادله جرم-تابندگی (mass-luminosity) میگویند. اگر جایگاه ستاره در رشته اصلی را بدانیم، جرم آن نیز مشخص می‌شود. در کل، هرچه جرم ستاره بیشتر باشد، در رشته اصلی بالاتر می‌رود و تابندگی آن نیز بیشتر می‌شود. معادله لگاریتمی جرم و تابندگی را بصورت ریاضی چنین نشان می‌دهیم:
LOG(L/Lsun)= n log(M/Msun)
یا
L/Lsun = (M/Msun)n
در معادله فوق، مقدار متغیر n برای ستارگانی مثل خورشید حدود ۴، برای ستاره‌های پرجرم‌تر برابر ۳ و برای ستاره‌های سرخ و کم‌فروغ در رشته اصلی برابر ۲.۵ است. ستاره‌ای که جرم آن ۰.۱ جرم خورشید باشد، تنها حدود یک‌هزارم خورشید تابندگی دارد. اما ستاره‌هایی که جرم آنها ۱۰ برابر جرم خورشید است ۱۰,۰۰۰ بار از خورشید تابنده‌تر هستند.
تصویر ۳. نمودار رابطه لگاریتمیِ جرم و تابندگی ستاره
حداقل جرم ستاره‌های رشته اصلی حدود ۰.۰۸ جرم خورشیدی است. اگر جرم ستاره کمتر از ۰.۰۸ جرم خورشیدی باشد، نیروی گرانش درون‌سوی آن نمی‌تواند دمای لازم برای گداخت هسته‌ای هیدروژن را ایجاد کند. و درنتیجه، پیش‌ستاره بی‌آنکه بتواند به ستاره تبدیل شود، به کوتوله قهوه‌ای تبدیل می‌شود. نخستین کوتوله قهوه‌ای در سال ۱۹۹۵ کشف شد و Gliese 229B نام گرفت. جرم کوتوله قهوه‌ای مذکور ۰.۰۵ جرم خورشیدی بود.
جدول: ویژگی‌های مهم ستارگان رشته اصلی
| جرم خورشیدی | تابندگی خورشیدی | دمای موثر (کلوین) | شعاع خورشیدی | حیات در رشته اصلی |
|
۰.۱۰ |
۳×۱۰-۳ | ۲,۹۰۰ | ۰.۱۶ | ۲×۱۰۱۲ |
|
۰.۵۰ |
۰.۰۳ | ۳,۸۰۰ | ۰.۶ |
۲×۱۰۱۱ |
|
۰۷۵ |
۰.۳ | ۵,۰۰۰ | ۰.۸ |
۳×۱۰۱۰ |
|
۱.۰ |
۱ | ۶,۰۰۰ |
۱.۰ |
۱×۱۰۱۰ |
|
۱.۵ |
۵ | ۷,۰۰۰ | ۱.۴ |
۲×۱۰۹ |
|
۳ |
۶۰ | ۱۱,۰۰۰ | ۲.۵ |
۲×۱۰۸ |
|
۵ |
۶۰۰ | ۱۷,۰۰۰ | ۳.۸ |
۷×۱۰۷ |
|
۱۰ |
۱۰,۰۰۰ | ۲۲,۰۰۰ | ۵.۶ |
۲×۱۰۷ |
|
۱۵ |
۱۷,۰۰۰ | ۲۸,۰۰۰ | ۶.۸ |
۱×۱۰۷ |
|
۲۵ |
۸۰,۰۰۰ | ۳۵,۰۰۰ | ۸.۷ |
۷×۱۰۶ |
|
۶۰ |
۷۹۰,۰۰۰ | ۴۴,۰۰۰ | ۱۵ |
۳.۴×۱۰۶ |
ترکیبات ستاره رشته اصلی چیست؟
ستارگان ۹۲ عنصر طبیعی و چندصد ایزوتوپ دارند اما ترکیبات آنها بطور جالبی مشابه و ساده است. ستاره‌ها تقریبا تماما از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌اند. ستاره‌ای مثل خورشید حاوی حدودا ۷۳ درصد هیدروژن و ۲۵ درصد هلیوم است. اگر تعداد هسته‌ها را ملاک بگیرید، آنگاه ۹۲ درصد خورشید از هیدروژن و ۷.۸ درصد آن از هلیوم و ۲ درصد جرم باقی‌مانده یا ۰.۲ درصد باقی‌مانده تعداد کل عناصر سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم است. اخترشناسان به عناصری مثل کربن و اکسیژن که عدد اتمی آنها بزرگتر از عدد اتمی هیدروژن و هلیوم است، اصطلاحا فلزات میگویند. لذا معنای «فلزات» در ستاره‌شناسی با معنای رایج و متعارف آن در شیمی فرق دارد.
جمع‌بندی: ستاره رشته اصلی چیست و چه ویژگی‌هایی دارد
گفتیم که ستاره رشته اصلی چیست و ستاره‌های رشته اصلی چه ویژگی‌هایی دارند. ستارگانی که گداخت هیدروژن را در هسته خود آغاز کرده‌اند، ستاره‌های رشته اصلی هستند. «رشته اصلی» نام بخش خاصی از نمودار هرتسپرونگ-راسل است که نشان می‌دهد ستاره‌ها حدود ۹۰ درصد زندگی خود را در آن مرحله می‌گذرانند، یعنی بخش اعظم عمر آنها به سوزاندن هیدروژن و تبدیل آن به هلیوم می‌گذرد.
همچنین توضیح دادیم که جرم و مدت حیات ستاره با هم رابطه عکس دارند، یعنی هرچه جرم ستاره بیشتر باشد، به‌سبب گرانش شدیدتر و دمای بیشترش سوخت خود را زودتر می‌سوزاند. و لذا زودتر خاموش می‌شود. اما ستاره‌هایی که جرم کمتری دارند، گرانش و درنتیجه دمای آنها نیز به‌همان نسبت کمتر است و به‌همین سبب، سوخت خود را دیرتر تمام می‌کنند و دیرتر خاموش می‌شوند.
