A fizika világa Csillag evolúció - a tömeg dönt

Dirk H. Lorenzen, 2005. január 24

Milyen fényesen ragyog egy csillag, meddig létezik és mi marad belőle később, végső soron csak egy paramétertől függ: tömegétől.

A csillagok körülbelül háromnegyed rész hidrogénből, negyed héliumból és nagyon kis részben nehezebb elemekből, például szénből, oxigénből vagy aranyból állnak. Ez vonatkozik a napunkra is. Belül a hidrogén összeolvad és héliumot képez körülbelül 15 millió Celsius fokon. Mindegyik négy hidrogénmag héliummagot képez - a végtermék, a héliummag azonban valamivel könnyebb, mint a kiindulási anyag, a négy hidrogénmag. Ez az apró tömegkülönbség közvetlenül hővé és fénnyé alakul át - Einstein híres képlete szerint: \ (E = mc ^ 2 \) (az energia megegyezik a tömeg és a fény sebességének négyzetével).

A hidrogén ég

Minden másodpercben 600 millió tonna hidrogén olvad meg 594 millió tonna héliummá a nap közepén. A nap másodpercenként hatmillió tonna anyagot alakít tiszta energiává, és másodpercenként hatmillió tonnával könnyebbé válik. Nem kellett volna rég felhasználnia a készletét? Semmi esetre sem, a Nap csaknem ötmilliárd éve alatt a tömegének ezredét sem veszítette el.

Csillagmező a Nyilas csillagképben

A nap energiatermelése pazarlónak tűnhet, de elég az üzemanyag: Az elméleti modellek szerint a nap csak középkorú. Még ötmilliárd évig ragyog. Csak akkor fogy a belsejében lévő hidrogén nagy része. Miután a „hidrogénégés” véget ért, egy csillag vége már nincs messze. Igaz, hogy a hélium összeolvadva nehezebb elemeket képez, amelyek viszont még nehezebb elemeket alkotnak. De ezek a folyamatok már nem túl hatékonyak - a csillag gyorsan elfogy az üzemanyagból.

A hidrogénégés meddig tart a tömegtől függ. Mert a kétszeres naptömegű csillag nem kétszer olyan fényesen, hanem nyolcszor olyan fényesen süt, mint a nap. A csillag által kibocsátott energia mennyisége nagyjából a csillag tömegének \ (M \) harmadik erejével növekszik, így a fényerő arányos a (z) (M ^ 3 \) értékkel. Hogy ez a kapcsolat milyen erős, az a csillag tömegétől függ. A háromszoros naptömegű csillag tehát majdnem 27-szer (háromszor háromszor három) olyan fényes, mint a nap.

A csillagok fejlődése nagymértékben függ a kezdeti tömegtől. A több mint öt-nyolc naptömegű csillagok (néhány csillagnak csaknem száz naptömegük van) élettartamuk végén szupernóvaként robbannak fel. Ezekkel a gigantikus robbanásokkal a csillag külső rétegeit az űrbe dobják, a mag neutroncsillaggá vagy fekete lyukká omlik össze. Alacsonyabb tömegű csillagokban is vannak szupernóvák - de csak bizonyos bináris csillagrendszerekben.

Robbanásveszélyes befejezés

A Nap méretű csillagok viszont elég látványosan égnek - és elég sokáig. A tízszeres naptömegű csillag körülbelül 4000-szer fényesebb, mint a nap, de élettartama viszonylag rövid: kevesebb, mint ötvenmillió év elteltével vége. A nap viszont valamivel több mint tízmilliárd éves. A naptömegnek csak a tizedével rendelkező csillag a nap fényének kevesebb, mint ezrelékével ragyog - és ez jóval több mint százmilliárd évig. Az univerzum összes csillagának, amelynek a naptömeg kevesebb mint háromnegyede van, mindenképpen léteznie kell, mivel élettartama meghaladja a ma feltételezett 13,7 milliárd éves világkorot.

A nap súlycsoportjából vagy közvetlenül fölötte számos csillag már befejezte magtüzét, és gyönyörű ködökkel töltötte meg az űrt. Körülbelül ötmilliárd év múlva a mi napunk is megduzzad, messze túl a Föld pályáján. A felszín lehűl, és a nap már nem sárga-fehér, hanem vöröseset süt - vörös óriásivá vált. A bent maradt üzemanyag egyre gyorsabban ég és a nap végül instabil fázisba kerül, villog és egy ideig lüktet. A belülről érkező sugárzás egyre több anyagot vezet a vékony külső rétegekből a bolygórendszerbe és tovább az űrbe. Ez az úgynevezett csillagszél miatt a nap elveszíti tömegének felét.

A nap hátralévő részében az energiaforrás végül kiszárad, és a belüli sugárzási nyomás nélkül a csillag fehér törpévé zsugorodik. Ez a kicsi, nagyon forró tárgy körülbelül akkora, mint a föld, de a naptömeg jó felét tartalmazza. A fehér törpe évmilliárdok alatt lehűl. Az első néhány ezer évben még mindig ragyogásra ösztönzi a korábban felszabadult gázt: a nap egy ideig egy fehér törpe lesz, gyönyörű köddel - és ennek közepén a föld, amely aztán lakhatatlan lesz.

Sok nyitott kérdés

Ez az elmélet. De senki sem tudja, mennyire érthető meg igazán a csillag evolúciója. Az alapgondolat helyes lehet, és a csillagok evolúciója minden bizonnyal jobban érthető, mint a csillagok kialakulása - de sok-sok részlet még mindig nem világos:

Milyen szerepet játszik a csillag forgása?
Néhány csillag lüktet, ami azt jelenti, hogy rendszeresen felfújódik és kissé csökken. Hogyan befolyásolja ez a jelenség a csillag további fejlődését? A csillagok életük során többször is pulzáló fázissal rendelkeznek?
Mikor és hogyan történik a konvekció? Konvekcióval a forró anyagok buborékai felemelkednek, lehűlnek és visszasüllyednek a csillag belsejébe - mint a forró vízben a kályha tetején. Az energiát sugárzás és konvekció útján szállítják a csillagok belsejébe. A pontos részletek még mindig nagyrészt nem tisztázottak.
A szigorú szél további problémákat okoz - mert ilyen széllel egy csillag kifújja külső rétegeinek egy részét az űrbe. Tehát a csillag tömegét veszti.
A mágneses mezők minden bizonnyal nagy szerepet játszanak a csillagok kialakulásában és fejlődésében (a nap erős és nagyon összetett mágneses térrel rendelkezik, amelyet többek között a napfoltok is könnyen felismerhetnek).
És hogyan függ mindez a jelenség a csillagok tömegétől?

Mindaddig, amíg ezeket a dolgokat nem értjük, a csillagok koráról csak nagyon tökéletlenül lehet információt szolgáltatni. A gömbhalmazok kora a világegyetem korának gyakran említett alsó határa - bár gyakran elfelejtik, hogy a gömbhalmazok korára vonatkozó információk 11 és 15 milliárd év között ingadoznak. Ha jobban megértenék a csillagok kialakulását és evolúcióját, akkor a csillagok korát is sokkal jobban meg lehetne becsülni.