ستاره چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟ همه چیز درباره ستاره آسمان

ستاره چیست؟ آیا تاکنون به پاسخ این سوال فکر کرده‌اید؟ آیا هنگامی که در آسمان تاریک شب، اجرامی نقطه‌ای و نورانی را مشاهده می‌کنید، از خودتان می‌پرسید که ستاره‌ها چه ویژگی‌های خارق‌العاده‌ای دارند؟ این گوی‌های گازی درخشان قرن‌هاست که مورد توجه انسان هستند. آن‌ها به کاوشگران باستانی کمک می‌کردند تا مسیر خود را در دریا و بیابان پیدا کنند. اکنون، دانشمندان این اجرام سماوی را به‌طور دقیق مطالعه می‌کنند تا دانش خود از عالم را افزایش دهند. در این مقاله قصد داریم ابتدا به این سوال پاسخ دهیم که ستاره چیست و سپس ویژگی‌های شگفت‌انگیز این اجرام را با هم مرور کنیم.

ستاره چیست؟

ستاره‌ها اجرام درخشانی هستند که عمدتا از پلاسما (گازی فوق متراکم) با یک میدان مغناطیسی تشکیل شده‌اند. این اجرام عمدتا از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌اند. در مرکز ستاره‌ها فرآیندهای هسته‌ای در جریان است که سبب می‌شود نور و گرما به بیرون ساطع کنند.

ستارگان اجزای اصلی کهکشان‌ها هستند و می‌توان آن‌ها را جزء اولین اجرام تشکیل شده در کیهان اولیه دانست. خورشید بزرگترین ستاره در منظومه شمسی و همچنین نزدیک‌ترین ستاره به زمین است که حدود 99.8% جرم منظومه شمسی به آن تعلق دارد. در فواصل دورتر و خارج از منظومه شمسی می‌توان میلیاردها ستاره با اجرام مختلف پیدا کرد.

تاریخچه

بیش از دو هزار سال پیش، «هیپارخوس» ستاره‌شناس یونانی، اولین کسی بود که فهرستی از ستارگان را با توجه به درخشندگی آن‌ها تهیه کرد. او درحقیقت، به ستارگان در آسمان نگاه کرد و آن‌ها را براساس میزان روشنایی به دسته‌های «قدر یک» تا «قدر شش» تقسیم کرد.

درخشان‌ترین ستاره‌ها قدر یک دارند و کم نورترین آن‌ها دارای قدر شش هستند. این دسته‌بندی تنها با رصد ستاره‌ها بدون هیچ ابزار نجومی پیشرفته‌ای انجام شد. به همین دلیل ستاره‌شناسان در دهه‌های اخیر به کمک ابزارهای مدرن اندازه‌گیری توانسته‌اند دقت این دسته‌بندی را افزایش دهند.

در اواخر قرن بیستم، اخترشناسان دریافتند جرم یک ستاره به درخشندگی آن یا میزان نوری که ساطع می‌کند، مرتبط است. همچنین این دو پارامتر به رنگ ستاره نیز مرتبط هستند. ستارگانی با جرم 10 برابر خورشید بیش از هزار برابر درخشش دارند. پس در نظر داشته باشید که هرچه نمره قدر ستاره کمتر باشد، آن ستاره درخشان‌تر است.

چند ستاره در کهکشان راه شیری وجود دارد؟

تقریبا غیرممکن است که بتوانیم تعداد ستاره‌های موجود در کیهان را تقریب بزنیم. با این‌حال، ستاره‌شناسان تخمین می‌زنند تنها کهکشان راه شیری دارای حدود 300 میلیارد ستاره است. هر ستاره‌ای که در آسمان شب می‌بینید، از خورشید ما بزرگتر و درخشان‌تر است. از بین 50 ستاره درخشان که با چشم غیرمسلح انسان از زمین قابل مشاهده هستند، کم نورترین آن «آلفا قنطورس» است که 1.5 برابر درخشان‌تر از خورشید است.

تعداد ستارگانی که می‌توان در یک آسمان بسیار تاریک و به دور از غبار با چشم غیرمسلح دید، حدود 2000 تا 2500 ستاره است. برای مشاهده ستارگان بیشتر باید از تلسکوپ استفاده کرد.

چرا ستاره سوسو می‌زند؟

هنگامی که به یک ستاره در آسمان خیره می‌شوید، ممکن است احساس کنید ستاره چشمک و یا اصطلاحا سوسو می‌زند. اما به خاطر داشته باشید که ستاره‌ها هیچ‌گاه چشمک نمی‌زنند. این مسئله به علت جو متلاطم زمین است.

همانطور که نور از یک ستاره ساطع می‌شود تا به چشم برسد، در مسیر خود باید از لایه‌های مختلف جو زمین با میزان غلظت‌های متفاوت عبور کند. این عبور نور را دچار انحراف می‌کند و رنگ و شدت آن اندکی دچار تغییر می‌شود. در نتیجه چشمک زدن ستاره تنها در زمین قابل مشاهده است و اگر از بیرون از جو زمین به ستاره‌ها نگاه کنیم، هرگز شاهد چشمک زدن آن‌ها نخواهیم بود.

ستاره چطور بوجود می‌آید؟؛ تولد یک ستاره

برخلاف باور عموم، ستاره‌ها اجرام ثابتی در عالم نیستند، بلکه در یک دوره تحولی از تولد تا مرگ پیش می‌روند. این مسیر تحولی وابسته به جرم ستاره متغیر است. به بیان دیگر، ستاره‌ها وابسته به جرمی که دارند، نوع مسیر تحول و مرگ متفاوتی نسبت به یکدیگر دارند.

ستاره‌ها عمری در حدود چند میلیارد سال دارند. به عنوان یک قاعده کلی، هرچه جرم ستاره بیشتر باشد، طول عمر آن کوتاه‌تر است! چرا؟ در ادامه با مروری بر مراحل تحولی یک ستاره، به این سوال پاسخ می‌دهیم.

پیش‌ستاره چیست؟

تولد ستاره در داخل ابرهای غبار که عمدتا از هیدروژن تشکیل شده‌اند، اتفاق می‌افتد. این ابرها مملو از گرد و غبار هستند و ما آن‌ها را «سحابی» می‌نامیم. سحابی‌ها با چگالی‌های مختلف در عالم وجود دارند.

در هر سحابی نیروی گرانش و فشار گرما درتلاش برای غلبه بر یکدیگر هستند. در طول هزاران سال، با افزایش گرد و غبار موجود در سحابی، نیروی گرانش بر فشار گرما غلبه می‌کند و نواحی متراکم سحابی به درون خود فروپاشی می‌کنند. این فروپاشی گرانشی اولین مرحله تولد ستاره است. آنچه از این فروپاشی حاصل می‌شود را «پیش‌ستاره» یا «Protostar» می‌نامیم. از آنجایی که هنوز در این مرحله، غبار موجود در سحابی اطراف پیش‌ستاره را می‌پوشاند، تشخیص این اجرام در فضا برای ستاره‌شناسان دشوار است.

«مارک موریس» اخترشناس از دانشگاه «UCLS» می‌گوید: «طبیعت به صورت مجزا ستاره‌ها را تشکیل نمی‌دهد. آن‌ها به صورت خوشه‌ای در درون ابرهایی از گرد و غبار تشکیل می‌شوند که تحت گرانش در درون خود فرو می‌ریزند.»

پیش‌ستاره در اثر نیروی گرانش که نیرویی مرکزی است، کوچک و کوچکتر می‌شود. این درحالی است که پایستگی تکانه زاویه‌ای سبب می‌شود سرعت چرخش آن در حین منقبض شدن افزایش یابد. پایستگی تکانه زاویه‌ای همان اصلی است که باعث می‌شود هنگامی که یک اسکیت‌باز درحال چرخش دست‌هایش را به دور خودش جمع می‌کند، با سرعت بیشتری بچرخد. افزایش سرعت چرخش سبب می‌شود تا دما نیز افزایش یابد. با افزایش دما ستاره کم‌کم وارد فاز بعدی تحول می‌شود.

رشته اصلی

میلیون‌ها سال بعد، زمانی که دمای هسته به حدود 15 میلیون درجه سانتی‌گراد رسید، همجوشی هسته‌ای در هسته ستاره آغاز می‌شود. به عبارت دیگر، اتم‌های هیدروژن در یک واکنش هسته‌ای می‌سوزند و اتم‌های هلیوم را در هسته تشکیل می‌دهند. در اثر این تبدیل، اشعه ایکس تابش می‌شود. این فرآیند مقدار زیادی انرژی ساطع می‌کند و ستاره را داغ و درخشان نگه می‌دارد. این مرحله طولانی‌ترین مرحله زندگی یک ستاره است.

طول عمر یک ستاره در رشته اصلی به جرم آن بستگی دارد. یک ستاره با جرم چندین برابر جرم خورشید، ممکن است مواد بیشتری داشته باشد، اما به دلیل دمای بالای هسته سریع‌تر بسوزد و به پایان عمر خود نزدیک شود. درحالیکه خورشید حدود ده میلیارد سال از طول عمر خود را به عنوان یک ستاره دنباله اصلی می‌گذراند، ستاره‌ای با جرم ده برابر جرم خورشید، تنها 20 میلیون سال از عمر خود را تحت عنوان یک ستاره دنباله اصلی طی خواهد کرد.

بیشتر ستارگان کهکشان ما از جمله خورشید، در دوره رشته اصلی هستند. این ستاره‌ها می‌توانند از حدود یک دهم جرم خورشید تا 200 برابر آن جرم داشته باشند.

ستاره دنباله اصلی از همجوشی هیدروژنی نیرو می‌گیرد. همجوشی فشاری به بیرون تولید می‌کند که با فشار درونی گرانش متعادل می‌شود و ستاره در فاز پایدار قرار می‌گیرد.

اجرام با جرم کمتر از 0.08 جرم خورشید، نمی‌توانند به مرحله همجوشی هسته‌ای در مرکز خود برسند. به همین دلیل به «کوتوله قهوه‌ای» تبدیل می‌شوند. این‌ها درحقیقت ستاره‌هایی هستند که هرگز مشتعل نمی‌شوند.

فاز رشته اصلی و رنگ ستاره

همانطور که گفتیم، درخشش ستاره‌ها ناشی از فرآیندهای همجوشی است که در هسته آن‌ها رخ می‌دهد. بعضی از ستاره‌ها بیشتر از بقیه می‌درخشند. روشنایی آن‌ها عاملی است که نشان می‌دهد چقدر انرژی از خود ساطع می‌کنند. اخترشناسان این انرژی را به عنوان «درخشندگی» تعریف می‌کنند. رنگ نیز یکی دیگر از پارامترهایی است که می‌تواند در هر ستاره متفاوت باشد. رنگ ناشی از دمای ستاره است. از آنجا که ستاره‌ها دمای یکسانی ندارند، پس رنگ آن‌ها نیز با یکدیگر تفاوت دارد.

ستاره‌های داغ، سفید یا آبی به نظر می‌رسند، درحالیکه ستاره‌های سردتر رنگ‌های نارنجی یا قرمز دارند. خورشید با دمای سطحی 5800 کلوین در بین این طیف قرار می‌گیرد زیرا ظاهر آن زردتر است.

ستارگان درحقیقت جسم سیاه هستند. جسم سیاه جسمی است که تمام تابش تشعشعات الکترومغناطیسی (نور مرئی، امواج رادیویی و غیره) را به صورت کامل جذب می‌کند. اخترشناسان با رسم این متغیرها بر روی نموداری به نام «هرتزسپرونگ-راسل» یا «H-R Diagram»می‌توانند ستارگان را براساس روشنایی و رنگ آن‌ها - که به نوبه خود دمای آن‌ها را نشان می‌دهد - در گروه‌های مختلف دسته‌بندی کنند.

بیشتر ستارگان در مرحله هیدروژن سوز‌ِ زندگی خود، در این نمودار روی خط مرتبط با ستارگان رشته اصلی قرار می‌گیرند که از بالا سمت چپ نمودار (جایی که ستاره‌های داغ درخشان‌تر هستند) به سمت راست پایین (جایی که ستارگان سرد تمایل به کم‌نور شدن دارند) امتداد دارد.

ستاره‌ها 90% از عمر خود را در مرحله رشته اصلی می‌گذرانند. اکنون خورشید با حدود 4.6 میلیون سال سن و دمای سطحی حدود 5000 کلوین، یک ستاره کوتوله زرد با اندازه متوسط است و ستاره‌شناسان پیش‌بینی می‌کنند برای چندین میلیارد سال دیگر در مرحله دنباله اصلی باقی بماند.

علاوه بر ستارگان گروه رشته اصلی، گروه‌های دیگر شامل ستارگان کوتوله، غول‌ها و ابَرغول‌ها است که شعاع‌هایی هزار برابر بزرگتر از شعاع خورشید دارند.

با افزایش نسبت هلیوم به هیدروژن در هسته، ستاره‌ها کم کم از این ناحیه فاصله می‌گیرند و وارد فاز دیگری از زندگی خود می‌شوند.

ستاره غول قرمز چیست؟

همانطور که ستارگان به سمت پایان زندگی خود می‌روند، بیشتر هیدروژن آن‌ها به هلیوم تبدیل می‌شود - تقریبا هیدروژن با تبدیل شدن به هلیوم به یک سوم مقدار اولیه خود کاهش می‌یابد. هنگامی که حدود 10% از جرم ستاره به هلیوم تبدیل شد، ساختار آن به شدت تغییر می‌کند.

طی این فرآیند، دمای مرکز ستاره افزایش می‌یابد و انرژی درونی آن سبب انبساط پوسته خارجی ستاره می‌شود. حالا هسته ستاره مملو از هلیوم است. در نظر داشته باشید که هلیوم عنصر غالب است اما مقدار ناچیزی عناصر سنگین نیز در هسته وجود دارد. این مرحله که ستاره بزرگ و متورم شده است، به عنوان «غول قرمز» شناخته می‌شود.

حالا ستاره در آخرین مرحله زندگی خود است. سرانجام آن چیست؟ سرنوشت پایانی ستاره به جرم آن بستگی دارد.

سحابی سیاره‌ای و کوتوله سفید

فاز غول سرخ در حقیقت مرحله‌ای است که در آن ستاره لایه‌های بیرونی خود را دور می‌ریزد و به جسم کوچک و متراکمی به نام «کوتوله سفید» تبدیل می‌شود. کوتوله‌های سفید را می‌توان به یک ستاره مرده شباهت داد که برای میلیاردها سال خنک می‌شوند. درخشندگی ضعیف یک کوتوله سفید از انتشار انرژی حرارتی باقیمانده برای آن ناشی می‌شود. ماده‌ای که از ستاره در مرحله پیش بیرون ریخته شده است، سبب می‌شود تا یک ابر متراکم از گاز و غبار در اطراف ستاره تشکیل شود که به آن «سحابی سیاره‌ای» یا «Planetary Nebula» می‌گویند. سحابی‌های سیاره‌ای از جمله زیباترین اجرام در آسمان هستند که درخشش خاصی دارند. کوتوله سفید در مرکز سحابی سیاره‌ای قرار دارد. در زیر تصویر برخی از سحابی‌های سیاره‌ای شناخته شده را مشاهده می‌کنید.

تصور می‌شود کوتوله‌های سفید آخرین وضعیت تکاملی ستارگانی باشد که جرم آن‌ها آنقدر زیاد نیست که به یک ستاره نوترونی یا سیاهچاله تبدیل شوند. این شامل بیش از 97% ستارگانی است که در کهکشان راه شیری وجود دارند.

درحقیقت آن‌ها دیگر همجوشی هسته‌ای ندارند، اما همچنان گرما ساطع می‌کنند. درنهایت تمام کوتوله‌های سفید تاریک می‌شوند و دیگر انرژی تولید نمی‌کنند. در این مرحله که دانشمندان هنوز موفق به رصد آن نشده‌اند ستاره به «کوتوله سیاه» تبدیل شده است.

برخی از آن‌ها، اگر در یک منظومه دوتایی قرار داشته باشند، ماده اضافی را از ستاره همراه خود جذب می‌کنند و با افزایش جرم درنهایت دچار انفجار شده و به یک ابرنواختر درخشان تبدیل می‌شوند. نزدیکترین کوتوله سفید شناخته شده به زمین «شباهنگ B» است که فاصله‌ای در حدود 8.6 سال نوری دارد. این کوتوله سفید جزء کوچکتر ستاره دوتایی «شباهنگ» است.

ابرنواختر

اما ستارگان پرجرم از این مسیر تکاملی - تبدیل شدن به کوتوله سیاه - پیروی نمی‌کنند. آن‌ها به علت جرم بسیار زیاد خود، دچار انفجار شده و به یک ابرنواختر درخشان تبدیل می‌شوند. در واقع، آن‌ها در ظاهر همانند غول‌های قرمز متورم هستند با این تفاوت که هسته آن‌ها در حال انقباض است.

این انقباض به این علت صورت می‌گیرد که ذخیره هلیوم در هسته ستاره به پایان رسیده است و نیروی گرانش بر سایر نیروها غلبه می‌کند. درنهایت هسته آنقدر متراکم می‌شود که این انفجار صورت می‌گیرد و ابرنواختر پدید می‌آید. هسته ابرنواختر وابسته به میزان جرمی که دارد می‌تواند به «ستاره نوترونی» یا «سیاهچاله» تبدیل شود.

ستاره نوترونی

اگر جرم هسته ابرنواختر بین 1.4 تا 3 برابر جرم خورشید باشد، نیروی گرانش سبب می‌شود تا پروتون‌ها و الکترون‌ها برای تشکیل نوترون‌ها به یکدیگر فشرده شوند تا درنهایت «ستاره نوترونی» بوجود آید. ستاره نوترونی درحقیقت هسته فروپاشیده ابرنواختر است که جرمی درحدود 10 تا 29 برابر جرم خورشید دارد.

ستاره‌های نوترونی را می‌توان کوچکترین و متراکم‌ترین ستارگانی دانست که تاکنون شناخته شده‌اند. برخی از ستارگان نوترونی در زمین به عنوان «تپ اختر» شناسایی می‌شوند. تپ اخترها اجرامی هستند که در حین چرخش، دو نوع اشعه امواج رادیویی و اشعه ایکس به صورت متناوب منتشر می‌کنند.

به عنوان مثال، یک ستاره‌ای نوترونی در سحابی «خرچنگ» وجود دارد که هر 30 ثانیه یکبار تپ‌هایی با نور مرئی ارسال می‌کند. به عبارت دیگر، می‌توان گفت این ستاره خاموش و روشن می‌شود. تعداد کمی از ستاره‌های نوترونی هستند که امواج مرئی از خود منتشر می‌کنند.

سیاهچاله

اگر جرم هسته بسیار بیشتر از جرم خورشید باشد، هسته در اثر فروپاشی گرانشی به یک «سیاهچاله» تبدیل می‌شود. سیاهچاله‌ها درحقیقت شبیه به یک چاله در فضا-زمان هستند. پس سیاهچاله‌ها یک منطقه بسیار کوچک فشرده هستند که گرانش آن‌ها سبب می‌شود حتی نور نیز نتواند از چنگال آن‌ها بگریزد. در این مقاله، هرچه لازم است از سیاهچاله‌ها بدانیم، مرور شده است.

ستاره با سیاره چه تفاوتی دارد؟

دانستن تفاوت میان ستاره و سیاره امری ضروری است. ستاره و سیاره هردو از اجرام آسمانی هستند که می‌توان آن‌ها را در آسمان یافت. اما این اجرام چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟

ستاره جسمی است که به علت فرآیندهای هسته‌ای در مرکز خود دارای نور - تابش - است. این درحالی است که سیارات به خودی خود نوری ندارند و تابش انجام نمی‌دهند.

تفاوت دیگر میان این دو جرم سماوی، به موقعیت آن‌ها باز می‌گردد. ستاره‌ها موقعیت ثابتی در آسمان دارند و تنها در عرض چند میلیون سال ممکن است مکان آن‌ها در آسمان تغییر کند. اما سیارات همواره بر روی مدارهایی ثابت درحال چرخش به دور ستاره خود هستند.

به عنوان مثال، خورشید ستاره منظومه شمسی ماست و سیارات مختلف مانند زمین، عطارد، زهره، مریخ، مشتری و غیره بر روی مدارهای بیضی شکلی به طور پیوسته درحال گردش به دور آن هستند.

تفاوت سوم به دمای سطحی بازمی‌گردد. ستاره‌ها اجرام آسمانی با دمای بسیار بالا هستند، درحالیکه سیارات دمای بسیار کمی در مقایسه با ستاره‌ها دارند.

در تفاوت چهارم می‌توان به موادی اشاره کرد که این اجرام از آن‌ها ساخته شده‌اند. ستاره‌ها عمدتا از هیدروژن، هلیوم و آهن تشکیل می‌شوند. درحالیکه سیارات از ترکیبی از سنگ و خاک و گاز و مایعات بوجود می‌آیند.

با تماشای ستاره‌ها به گذشته سفر کنید!

بسته به موقعیت جغرافیایی شما، ممکن است زمانی که به آسمان شب نگاه می‌کنید ستاره‌های بی‌شماری را ببینید که آسمان را پوشانده‌اند. حتی ممکن است به علت آلودگی نوری در منطقه‌ای که هستید، شاهد هیچ ستاره‌ای نباشید.

آلودگی نوری در شهرها و دیگر مناطق پرجمعیت رصد ستاره‌ها را تقریبا غیرممکن می‌کند. در مقابل، برخی مناطق جهان به قدری تاریک هستند که با نگاه کردن به آسمان می‌توان شاهد شکوه آسمان بود.

در قدیم، مردم باستان به دلایل مختلف به آسمان نگاه می‌کردند. آن‌ها پیکربندی‌های مختلف ستارگان را شناسایی می‌کردند تا با ردیابی حرکت آن‌ها، فصول مختلف را برای کشاورزی دنبال کنند و بتوانند در دریاها کشتی‌رانی کنند. این پیکربندی‌ها «صورت فلکی» نام دارند.

اگر در یک شب تاریک و صاف به آسمان نگاه کنید، شاهد ده‌ها صورت فلکی خواهید بود. صورت‌های فلکی نام‌ها متفاوتی دارند. نام برخی از آن‌ها از شخصیت‌های افسانه‌ای مانند «کاسیوپیا» گرفته شده است. برخی دیگر نیز به علت شباهتی که به برخی حیوانات دارند، با نام‌های «خرس کوچک» یا «سگ بزرگ» شناخته می‌شوند.

امروزه اخترشناسان از صورت‌های فلکی برای نامگذاری ستاره‌های تازه کشف شده استفاده می‌کنند.

نکته جالبی که در زمان تماشای ستارگان باید در نظر بگیرید، این است که با نگاه کردن به آن‌ها، درحقیقت درحال تماشای گذشته هستید. همانطور که می‌دانید برای دیدن جسمی، نیاز است تا نور از آن به چشمان ما برسد. هرچه فاصله جسم از ما بیشتر باشد، نور آن مدت زمان بیشتری را در راه است. برای ستارگان که فواصل بسیار زیادی با ما دارند، میلیون‌ها سال طول می‌کشد تا نورشان به زمین برسد.

بدین ترتیب، هنگامی که به یک ستاره نگاه می‌کنیم، آنچه از آن می‎‌بینیم متعلق به گذشته آن است. درحقیقت ما در هر لحظه در حال رصد گذشته یک ستاره هستیم. به عنوان مثال، حدود هشت دقیقه طول می‌کشد تا نور خورشید به سطح زمین برسد. پس در حقیقت، ما با نگاه کردن به ستاره‌ها، به معنای واقعی کلمه درحال نگاه کردن به گذشته هستیم.

اگر از تلسکوپ برای رصد ستاره‌ها استفاده می‌کنیم، حتی می‌توانیم چند ده هزار سال پیش یک ستاره را نگاه کنیم و از عجایب آن لذت ببریم.

جمع‌بندی

در این مقاله به تفصیل با ستاره‌ها آشنا شدیم. ابتدا تعریف ستاره از نظر اخترشناسان را مرور کردیم و سپس به سراغ ویژگی‌های این اجرام شگفت‌انگیز رفتیم. برای آنکه با ستاره‌ها بهتر آشنا شویم، لازم است که مسیرهای تحولی آن‌ها از زمان تولد تا مرگ را نیز بررسی کنیم. درنهایت تفاوت این اجرام با سیارات را نیز مرور کردیم. حالا می‌دانیم با نگاه کردن به ستاره‌ها، درحقیقت درحال تماشای گذشته زمین هستیم زیرا نور اجرام سماوی مدت زمان زیادی در کیهان سفر می‌کند تا به چشم ما برسد.

سوالات متداول