نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه سوم

اهداف جلسه:

• آشنایی با انواع ستارگان
• آشنایی با نمودار هرتسپرونگ-راسل
• آشنایی با ستارگان رشته اصلی
• آشنایی با ستارگان فرا غول
• آشنایی با ستارگان از نوع خورشید

وسایل مورد نیاز:

• اینترنت پر سرعت
• ادوات نجومی مانند دوربین دوچشمی یا تلسکوپ

مقدمه

در دو جلسه گذشته با آنچه در آسمان شب می بینیم و چگونگی شکل گیری ستارگان آشنا شدید. حتماً این سئوال برایتان پیش آمده که این ستارگان زیبایی که با اندازه ها و رنگ های مختلف در آسمان می بینیم، آیا انواع مختلفی دارند؟ و اگر انواع مختلفی دارند چگونه می توان تفاوت آنها را دریافت و آیا می توان ستارگان بی شمار عالم را به گونه هایی تقسیم کرد که هرگونه مشخصات خاص خود را داشته باشند؟ کلیه این مباحث موضوع درس این جلسه است. در این جلسه با انواع ستارگان و تفاوت های آنها آشنا خواهید شد.

3-1 انواع ستارگان

همه ی ستارگان به نوعی شبیه خورشیداند اما تفاوت زیادی در اندازه، جرم و دمای آنها وجود دارد. شاید بتوان ستارگان را با توجه به تفاوتشان در اندازه، جرم و دمای آنها طبقه بندی کنیم.
همان طور که آموختید ستارگان در اندازه های گوناگون اند، کوچک ترین ستاره شناخته شده که قطر آن فقط 6500 کیلومتر است، ستاره شماره 8247 است و بزرگ ترین ستاره شناخته شده، "ممسک العنان" است که قطری حدود 3000 برابر قطر خورشید دارد. (قطر خورشید 1390000 کیلومتر است). شاید جالب باشد بدانید قطر یک ستاره را نمی توان به کمک تلسکوپ اندازه گرفت. حتی در بزرگ ترین و قوی ترین تلسکوپ ها نیز، ستارگان همچون نقاط نورانی دیده می شوند که قطری قابل اندازه گیری ندارند. در سال های اخیر روش های هوشمندانه ای برای اندازه گیری قطر ستارگان بکار می رود که از جمله آنها تعیین قطر ستاره با تداخل سنج و همچنین از روی درخشنگی آنها است. 

واضح است که حتی نزدیک ترین ستاره، فاصله بسیار زیادی از ما دارد. پس چگونه دانشمندان دمای سطح ستارگان را اندازه گیری کنند؟

دانشمندان و منجمان می توانند بسیاری اطلاعات و داده ها درباره ستارگان را از تحلیل دقیق تابشی به دست بیاورند که از ستاره به ما می رسد. شاخه ای از علم که به چنین تحلیلی می پردازد "طیف نمایی" نامیده می شود و ابزار اصلی آن "طیف نما" است. از طیفی که از نور یک ستاره به دست می آید، برای تعیین دمای سطح آن که موسوم به "نور سپهر" است، استفاده می شود. جالب است بدانید دمای نورسپهر ستاره ها بسیار کم تر از دمای داخل آنها است. درباره طیف نمایی و ابزار آن مطالعه نمایید تا مطالب درس را به خوبی بیاموزید.

و اما جرم ستارگان، تفاوت جرم میان ستارگان بسیار کم است، جرم بیشتر ستارگان بین یک پنجم و پنج برابر جرم خورشید است. دامنه تغییرات جرم ستارگان نیز محدود است. یکی از پرجرم ترین ستارگان شناخته شده، ستاره ای است به نام HD 698  که جرمی 113 برابر جرم خورشید دارد. یکی از سبک ترین ستاره های شناخته شده، لوتینB 8- 726 است که جرم آن فقط یک بیست و پنجم جرم خورشید است.
اکنون با سه خصوصیت اصلی ستارگان آشنا شدید. برای آنکه بتوانیم بیلیون ها ستاره کهکشان راه شیری را به درستی بر اساس خصوصیاتشان طبقه بندی کنیم، با هرتسپرونگ-راسل آشنا می شویم.

3-2 نمودار هرتسپرونگ-راسل

نمودار هرتسپرونگ-راسل که به نمودارH-R  معروف است، در اوایل قرن بیستم توسط اینار هرتسیرونگ منجم دانمارکی و هنری نوریس راسل منجم آمریکایی رسم شد. این نمودار بر اساس درخشندگی ستارگان نسبت به دمای آنها رسم شد که محور عمودی بر حسب قدر مطلق و یا درخشندگی و محور افقی بر حسب دما درجه بندی شده است.(می توان آن را بر اساس رنگ ستارگان نیز درجه بندی کرد)

در نمودارH-R  هر ستاره با نقطه ای نشان داده می شود. مکان این نقطه را درخشندگی ستاره و گونه طیفی آن مشخص می کند. بنابراین بر یک نمودار چندین هزار نقطه قرار دارد که هر نقطه درخشندگی و طیف یک ستاره را نشان می دهد. رسم دقیق نقاط مربوط به ستاره هایی که در همسایگی منظومه شمسی قرار دارند، دو ویژگی بسیار مهم را نمایش می دهند.
الف: اکثریت عظیم ستارگان در رشته باریکی جای گرفته اند که از گوشه چپ و بالای نمودار به گوشه راست و پائین نمودار کشیده شده است که آن را رشته اصلی می نامند. ستارگانی که در رشته اصلی قرار دارند از جمله خورشید ما، به "ستارگان رشته اصلی" موسوم اند.

ب: نظم متمایز رشته اصلی را دو استثناء بسیار مهم برهم می زند. نقاط مربوط به دو نوع ستاره مشخص، بیرون رشته اصلی قرار می گیرند. یک دسته در سمت راست و بالای نمودار پراکنده شده اند. درخشندگی این ستارگان بسیار زیاد ولی دمای آنها کم است و غول های سرخ نام دارند. گروه دیگر نقاطی اند که به دور از رشته اصلی و در ناحیه کوچکی در سمت چپ و پائین نمودار جمع شده اند. آنها ستارگانی با درخشندگی اندک و دمای سطحی زیاد هست که موسوم به کوتوله های سفید هستند.

بر اساس نمودار هرتسپرونگ-راسل ستارگان را به سه دسته کلی تقسیم می کنیم.

• ستارگان رشته اصلی
• ستارگان فرا غول (غول های سرخ)
• ستارگان از نوع خورشیدی (کوتوله های سفید)

3-3 ستارگان رشته اصلی

همان طور که گفته شد ستارگان رشته اصلی در نمودار هرتسپرونگ-راسل تنها در نوار باریکی جای دارند و به شکل نامنظم در سراسر نمودار پخش نشده اند. این امر حاکی از رابطه نزدیک میان این ستارگان است و نشان می دهد آنها در برخی مشخصات شبیه یکدیگر اند. پراکندگی آنها در طول رشته به احتمال زیاد ناشی از تفاوت جرم آنهاست، هرچه جرم ستاره بیشتر باشد، درخشان تر است. این ناحیه بین 80 تا90 درصد ستارگان را شامل می‌‌‌شود.
در این رشته ستارگانی که درخشندگی زیادی دارند و قسمت بالایی نمودار H-R را اشغال می کند به غول ها موسوم اند. ستارگانی که درخشنگی آنها کم است، کوتوله ها نامیده می شوند.
حد فاصل غول ها از کوتوله ها را در بعضی مواقع قدر مطلق معین می کند. ستاره هایی که از قدرمطلق 1+ روشن تر اند غول اند، آنها که از قدر مطلق1+ کم سو ترند کوتوله نام دارد. رشته اصلی تمام دامنه را، از غول های آبی تا کوتوله های سرخ شامل است.

خوب است بدانید که این تقسیم بندی بر اساس مراحل عمر یک ستاره است. همه ستارگان بخش اعظم عمر خود را در رشته اصلی می گذرانند و ستارگان رشته اصلی، ستارگان بالغ اند که به تولید انرژی می پردازند. ستارگان خارج از رشته اصلی در واقع مراحل دیگر عمر خود را سپری می کنند.

3-4 ستارگان فرا غول

در نمودار هرتسپرونگ-راسل، در بیرون از رشته اصلی غول های سرخ و ابر غول های سرخ  بسیار بزرگ دیده می شوند. برخی از این ستارگان به قدری بزرگ اند که بخش اعظم منظومه شمسی را در خود جای می دهند. جرم برخی از آنها فقط پنج یا ده برابر جرم خورشید است و حجم عظیم آنها حاکی از چگالی فوق العاده کم آنها است.

3-5 ستارگان از نوع خورشید

ستارگان از نوع خورشیدی یا همان کوتوله های سفید درخشندگی بسیار کمی دارند و بیش تر آنها کم تر از 1/100000 درخشندگی یک ستاره معمولی را دارند. این امر به دلیل کم بودن جرم آنها نیست. این امر به دلیل کم بودن جرم آنها نیست، چرا که از لحاظ جرم کاملاً با خورشید قابل قیاس هستند. درخشنگی اندک آنها به دلیل اندازه کوچک آنهاست و طبیعی است که ستارگانی که جرمشان متوسط و حجمشان کم باشد، چگالی شان بسیار زیاد است. یک قاشق از ماده یک کوتوله سفید، چند تن وزن دارد.
از لحاظ نظری، حدی برای جرم کوتوله سفید وجود دارد. هیچ کوتوله سفیدی نمی تواند جرمی بیش از 1/2 برابر جرم خورشید داشته باشد. تاکنون صدها کوتوله سفید شناخته شده است. تعداد آنها بی شک بسیار بیشتر از آن است که تاکنون رصد شده است ولی درخشندگی اندک آنها موجب می شود که از فواصل زیاد، مرئی نباشند. مرحله کوتوله سفید یکی از آخرین مراحل تکامل عادی یک ستاره است.

اما دلیل آنکه بیش تر ستارگان در رشته اصلی دیده می‌‌‌شوند آن است که در این ناحیه ستارگان، با تولید انرژی به‌‌‌وسیله ی جوش هسته‌‌‌ای و تبدیل هیدروژن به هلیوم، بیش تر عمر خود را به‌‌‌عنوان اجسامی پایدار سپری می‌‌‌نمایند. با تحول ستاره، محل آن در نمودار تغییر می‌‌‌کند و گفته می‌‌‌شود که ستاره در امتداد مسیر تحولی درون نمودار حرکت می‌‌‌نماید.

رشته اصلی یک خط نیست، بلکه همان گونه که نشان داده شده است، به‌‌‌صورت یک نوار در نمودار H-R ظاهر می‌‌‌شود. دلیل آن است که با پیرتر شدن ستاره‌‌‌ها، آنها کمی درخشنده‌‌‌تر می‌‌‌شوند و دمای سطح آنها افزایش می‌‌‌یابد. به همین خاطر در مرحلۀ هیدروژن‌‌‌سوزی، آنها تا حدی به سمت بالا و چپ نمودار حرکت می‌‌‌کنند.

مرحله ی غولی در زندگی ستاره نسبتاً کوتاه است و از این رو ما تعداد ستارگان بسیار کم تری را در این رده می‌‌‌بینیم. کوتوله‌‌‌های سفید، مرحله ی نهایی بسیاری از ستارگان هستند و در مدت ملیاردها سال به‌‌‌تدریج سرد می‌‌‌شوند؛ بنابراین به سمت پایین و به طرف راست نمودار H-R حرکت می‌‌‌کنند. به‌‌‌مرور زمان، با افزایش تعداد ستارگانی که به پایان عمر خود می‌‌‌رسند، تعداد این ستاره‌‌‌ها نسبت به ستاره‌‌‌های رشته اصلی افزایش خواهد یافت.

تکلیف1:  برای این جلسه به یک منطقه بدون آلودگی نوری بروید، همچنین می توانید برای استفاده از تلسکوپ به رصد خانه بروید. حال چند ستاره مختلف را انتخاب کنید و با دوربین دو چشمی یا تلسکوپ بررسی کنید. چه تفاوت هایی از لحاظ ظاهری بین این ستارگان مشاهده می کنید. دلیل این تفاوت ها را بررسی کنید. فعالیت خود را به همراه گزارش مفصل برای ما ارسال نمایید.
تکلیف2:  درباره طیف نما که در متن درس آمده بیش تر تحقیق نمایید و نتایج را برای ما ارسال کنید.

محل بازدید/ اردو/ خرید:  با توجه به تکلیف این جلسه می توانید از مرکز علوم و ستاره شناسی تهران که بزرگ ترین و مجهز ترین تلسکوپ را در بین رصد خانه ها واقع در تهران در اختیار دارد، بازدید نمایید. برای کسب اطلاعات کامل تر به آدرس زیر مراجعه نمایید.

http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=111730

منابع مطالعه:  جهت کسب اطلاعات بیش تر در زمینه انواع ستارگان به آدرس اینترنتی مراجعه نمایید.

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان
تهیه: الهام گارسچی - تنظیم: علی سرمدی

مطالب مرتبط

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه اول
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه دوم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه سوم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه چهارم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه پنجم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه ششم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه هفتم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه هشتم