jump to navigation

Evoluţia unei stele pe diagrama H-R – Secvenţa Principală Mai 19, 2010

Posted by EvolutieStelara in Diagrama Hertzsprung - Russell.
Tags: , , , , , ,
add a comment

Raportat la procesele prin care trece o stea în decursul vieţii sale, aceasta este cea mai liniştita când se afla în Secvenţa Principală. Drept urmare vom începe cu descrierea acestei perioade, pentru a fi mai uşor să prezentăm mai departe modul de formare şi moartea lor.

Secvenţa Principală

În funcţie de mărimea lor, stelele petrec mai mult sau mai puţin timp pe secvenţa principală. Dacă masa lor stelară este mai mică decât a Soarelui atunci stelele se vor regăsi mai mult timp pe Secvenţa Principală. Soarele, ca stea medie stă 10 miliarde de ani în Secvenţa Principală, în timp ce stelele mai mari stau mai puţin (cele mai mari stau 1.000.000 ani).

O caracteristica importantă a stelelor de pe Secvenţa Prncipală este compoziţia lor: 92% H, 7,8% He, 0,2% alte elemente.

Când steaua fuzionează hidrogenul in heliu, aceasta se află în cel mai stabil moment al vieţii sale. Va rămâne în acest stadiu doar atât cât îşi va putea menţine producţia de energie constantă prin arderea hidrogenului aflat totuşi într-o cantitate limitată.

Fuziunea nucleară

Procesul de fuziune nucleară este cauzat de două forţe opuse ce acţionează asupra stelei: gravitaţia şi presiunea. Gravitaţia tinde să comprime steaua în timp ce presiunea (cauză a temperaturii foarte mari), este aceea care echilibrează balanţa forţelor dintr-o stea. Acest echilibru se menţine un timp, după care una dintre cele două forţe ajunge să preia controlul.

Temperatura interioara a stelelor poate atinge peste 20 de milioane K. Aceste temperaturi extreme permit ca la ciocnirea a 2 atomi de hidrogen, nucleele acestora să se lipeasca, generând un atom de heliu. Astfel multiplicat la infinit, hidrogenul se consumă într-un procent semnificativ, în final, în stea rămânând mai mult heliu, ceea ce permite, ca în condiţii deosebite, şi atomii de heliu să fuzioneze, generând astfel atomi de carbon.

După consumarea heliului, carbonul începe să fuzioneze şi el, generând oxigen, care mai departe fuzionează în siliciu, iar siliciul în fier. Constatăm astfel că fiecare etapă necesită temperaturi din ce în ce mai ridicate, ajungându-se astfel la diametre tot mai mari ale stelelor.

Aşa cum am văzut în capitolele precedente, stabilitatea unei stele este determinată de masa acesteia corelată cu luminozitatea ei. Deoarece această corelare are baze strict observaţionale, relaţia ce se naşte este numită relaţia empirică masă – luminozitate. Aceasta susţine că luminozitatea L a unei stele este proporţională cu masa M ridicată la puterea unei valori ce se află între 3,5 – 4,0; deci, dacă ştim care este masa unei stele, putem estima cât de mult din masa stelară se poate folosi ca şi combustibil nuclear. În al doilea rând, cunoscând luminozitatea, putem estima viaţa stelei cel puţin pe Secvenţa Principală.

De asemenea, luminozitatea stelei se mai poate determina şi observaţional, prin urmare şi relaţia masă – luminozitate este utilă pentru a determina masa unei stele.

În final şi poate cel mai semnificativ este faptul că luminozitatea este proporţională cu masa, ridicată la o putere, cu valoarea între 3,5 – 4,0. Acest fapt demonstreaza că şi dacă arderea nucleară diferă de la o stea la alta, putem fi siguri că, cu cât stelele sunt mai masive şi mai luminoase, cu atât îşi consumă combustibilul nuclear mai repede.  Spre exemplu o stea de trei ori mai mare decât Soarele ar putea lumina de 81 de ori mai puternic

Aceasta înseamnă ca o stea de 3 ori mai mare decât Soarele şi-ar consuma combustibilul nuclear de 81 de ori mai repede si nu de 3 ori cum ar putea părea la prima vedere. Rezultatul este că indiferent de modul în care evoluează o stea, cu cât este mai masivă şi mai luminoasă cu atât şi evoluţia ei va fi mai rapidă şi implicit prezenţa ei pe Secvenţa Principală va fi mai scurtă în timp. În opoziţie vom constata că stelele mai palide şi mai puţin masive vor avea o evoluţie în timp mai puţin spectaculoasă, dar vor trăi mult mai mult.

Prin urmare stelele pitice roşii care se află pe Secvenţa Principală vor rămâne în cest stadiu poate până la sfârşitul vieţii Universului. Aşadar viaţa stelelor de pe Secvenţa Principală începe de undeva de la un milion de ani şi se poate întinde o eternitate, factorul decisiv pentru durata vieţii în acest caz fiind masa stelei. Un exemplu de o astfel de stea este steaua pitică de clasa M, Proxima Centauri, cu o masă de 0,1 mase solare,

a cărei viaţă pe Secvenţa Principală este estimată la o durată de 300 de vieţi solare. Aceasta este o perioadă cu mult mai lungă decât estimările curente cu privire la vârsta Universului.

După epuizarea hidrogenului, stelele cu mase mai mici de 0,5 mase solare

nu vor începe fuzinea heliului şi vor rămâne în starea de pitică roşie, stele care mai radiază doar căldură, nefiind capabile de fuziune nucleară.

La cele cu masa stelară mai mare de 0,5 mase solare,

odată finalizată fuziunea hidrogenului, vor trece la fuziunea heliului, acest proces determinând cresterea atât a luminozităţii cât şi a diametrului, trecând din Secvenţa Principală în ramura stelelor gigante.

Iniţial, temperatura nucleului este prea mică pentru fuziunea heliului, dar contracţia nucleului eliberează energie gravitaţională, cauzând creşterea temperaturii nucleului şi a învelişului acestuia, accelerând reacţiile nucleare din înveliş.

Producţia crescută de energie generează presiune exterioară ridicată şi provoacă expansiunea suprafeţei stelei. Atmosfera stelei va creşte cu un factor de 200 de ori, şi se va răci, culoarea acesteia fiind acum roşie. Suprafaţa stelei fiind acum mult mai mare, luminozitatea sa va fi mare.

După încă aproximativ un milion de ani, presiunea şi temperatura nucleului ajung suficient de mari pentru fuziunea heliului.

In nucleul stelei, heliul începe să fuzioneze în carbon.

Acest stadiu de evoluie va dura încă 1 miliard de ani.

Mecanismul iniţial de feedback este compromis, deoarece steaua prezintă acum un nucleu de gaz degenerat, ce se comportă cu totul altfel decât gazul obişnuit.

Materie degenerată

Contracţia nucleului stelar cauzează creşterea presiunii într-atât încât atunci când temperatura este suficient de mare pentru fuziunea heliului, miezul stelei se află deja într-o stare de degenerare electronică. Degenerarea se datorează principiului de excluziune al lui Pauli, ce împiedică mai mulţi electroni să ocupe nivele de energie identice (nu pot avea aceeaşi stare cuantică).

Într-o stare degenerată, electronii nu prea au libertate de mişcare, nivelele atomice de energie fiind toate ocupate, neputând fi forţaţi să aibă aceeaşi stare cuantică cu alţi electroni. Aceasta generează o presiune conform principiului de excluziune al lui Pauli (o rezistenţă din ce în ce mai sporită a gazului respectiv la contracţie), practic independent de temperatura la care se află acesta (chiar şi la temperaturi apropiate de zero absolut).

Gazul degenerat nu respectă legile gazului ideal (de ex.: odată cu scăderea temperaturii, scade şi presiunea la un gaz obişnuit).

Schimbarea sursei de energie duce la o instabilitate a stelei, şi aceasta începe alternativ să se măreasca şi să se micşoreze, uneori chiar violent. Atmosfera exterioară a stelei este expulzată în spaţiu, fiind emis un flux continuu de particule încărcate (electroni şi protoni) generând un vânt solar puternic.

Aceste stele îşi variază periodic strălucirea (sunt stele variabile) şi se numesc stele de tip „Mira”, sau stele de „tip târziu”.

Stelele nu „apar” pe Secvenţa Principală „din senin”, in capitolul urmator ne vom intoarce deci în timp şi vom urmari formarea lor.

Digrama Hertzsprung-Russell Aprilie 22, 2010

Posted by EvolutieStelara in Evolutie Stelara.
Tags: , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
add a comment

După ce am trecut în revistă diferiţi parametri ce caracterizează o stea este timpul să îi ordonăm într-un singur sistem pentru a avea o imagine de ansamblu despre evoluţia unei stele.

Mulţi dintre noi suntem familiari cu reprezentarea sub formă de grafice şi diagrame a diferitelor mărimi. Un astfel de grafic folosit universal în ceea ce priveşte proprietăţiile stelare este Digrama Hertzsprung-Russell. Fără îndoială este unul dintre cele mai importante şi mai utile instrumente folosite în studiul astronomiei.

În 1912 doi astronomi, independent unul de celălalt au comparat diferite proprietăţi ale stelelor:  E. J. Hertzsprung (Danemarca) şi H. N. Russell (S.U.A). Cei doi au realizat grafice pe care treceau luminozitatea, culoarea (B-V), spectrul, temperatura şi au observat ceva remarcabil: stelele se află în regiuni distincte ceea ce ne arată că temperatura la suprafaţă (sau tipul spectral) este înrudit cu luminozitatea.

Avem mai jos o diagramă tipică H-R, fiecare punct din diagramă reprezentând o stea ale cărei proprietăţi precum tipul spectral şi luminozitatea au fost determinate.

Să observăm puţin elementele diagramei:

  • Axa orizontală reprezintă temperatura stelară (superficială) sau în mod echivalent, tipul spectral;
  • Temperatura creşte de la dreapta la stânga. Aceasta se întâmplă pentru că Hertzsprung şi Russell şi-au bazat diagrama pe secvenţa spectrală OBAFGRM, unde O reprezintă stelele mai fierbinţi şi se află la stânga, în timp ce M sunt stele mai reci şi sunt poziţionate în dreapta.;
  • Axa veticală reprezintă luminozitatea stelară reprezentată în unităţi de luminozitate solară  ;
  • Luminozităţile acoperă o axă întinsă, prin urmare diagrama uzează de scara logaritmică, unde fiecare gradaţie de pe axa verticală, înseamnă o luminozitate de 10 ori mai mare decât cea anterioară;
  • Fiecare punct de pe Diagrama H-R reprezintă un tip spectral şi o luminozitate caracteristice unei singure stele. De exemplu, punctul reprezentând Soarele corespunde tipului său spectral, G2, cu luminozitate .

De remarcat este modul în care creşte luminozitatea pe axa verticală a diagramei pe măsura ce temperatura superficială creşte pe axa orizontală, în timp ce ne deplasăm spre stânga. Avem astfel în colţul din stânga sus stele fierbinţi şi luminoase. În opoziţie, stelele din colţul dreapta sus sunt de această dată reci dar la fel de luminoase, iar cele din dreapta jos sunt reci şi pale opuse şi acestea cu cele din stânga jos, fierbinţi şi pale.

Diagrama H-R – secvenţa principală

Cea mai mare parte a stelelor prezente in diagrama H-R, peste 90%, se află pe o linie ce duce din stânga sus spre dreapta jos a diagramei, linie ce se numeşte secvenţa principală. În funcţie de diverşi parametri, parcurgând secvenţa principală întâlnim stele foarte mari şi luminoase dar şi stele pitice roşii. Dintre stelele prezente pe secvenţa principală a diagramei precizăm Soarele.

Diagrama H-R – stele gigante

Stelele gigante sunt stele reci, între 3000 şi 5000K dar foarte luminoase. O cauză a luminozităţii puternice este diametrul lor foarte mare, între 10-100 ori mai mare decât al Soarelelui ceea ce se reflectă într-o luminozitate de pâna la 1000 de ori luminozităţi solare. (ex. Arcturus, Aldebaran).

Diagrama H-R – stele supergigante

În partea din dreapta sus a diagramei H-R se află stelele supergigante. Acestea au un diametru de peste 1000 de ori mai mare decât al Soarelui, doar 1% dintre stele facând parte din aceasta categorie, dintre exemple putem enumera Antares, Betelgeuse, etc.

Diagrama H-R – stele pitice albe

Piticele albe, prezente în partea din stânga jos a diagramei H-R, sunt stele extrem de fierbinţi dar cu luminozitate scăzută. Temperatura foarte mare şi dimensiunile reduse sunt caracteristici în strânsă legătura ceea ce fac din piticele albe stele ce nu pot fi observate cu ochiul liber. Diametrul piticelor albe este asemănător cu al Pământului şi doar 9% dintre stele intră în această categorie.

Diagrama H-R – luminozitatea

În urma observaţiilor îndelungate s-a constatat că stelele pot avea temperaturi identice dar luminozităţi diferite. Cauza acestui fapt a fost identificată prin observarea liniilor spectrale, cu cât acestea sunt mai înguste, cu atât steaua este mai mare. Prin urmare factorul dimensiune ne conduce către aspectul densităţii şi constatăm că în stelele gigantice, densitatea fiind mai mica si atomii ciocnindu-se mai rar, determina liniile spectrale mai înguste din descrierea de mai sus. În opoziţie, dacă densitatea este mai mare, fapt ce pune în discuţie şi dimensiunile mai reduse ale stelei, atomii se vor ciocni mai des intre ei iar liniile spectrale vor fi mai difuze, mai largi.

Temperatura unei stele determină ce linii din spectrul său sunt mai proeminete. Prin urmare clasificarea unei stele după tipul său spectral, este în esenţă similar cu clasificarea unei stele în funcţie de temperatura sa. O privire asupra diagramei H-R ne va dezvălui că stelele pot avea temperaturi similare şi luminozităţi total diferite.

Spre exemplu o pitică albă poate avea o temperatura de 7000K; la fel şi o stea din Secvenţa Principală, o stea gigantă sau o stea supergigantă. Totul depinde de luminozitatea ei. Din nou liniile spectrale ne spun cărei categorii îi aparţine steaua studiată.

În mod empiric s-a stabilit că, cu cât este mai luminoasă o stea, cu atât sunt mai înguste liniile de hidrogen din spectrul său (regulă valabilă pentru stelele din tipul spectral B până la tipul spectral F). Teoria din spatele acestui fenomen este destul de complexă dar deocamdată ne vom limita a menţiona că acele diferenţe măsurabile din spectrul unei stele se datorează diferenţelor de temperatură din atmosfera ei, motiv pentru care se produc liniile de absorbţie. Densitatea şi presiunea gazelor încălzite din atmosferă afectează liniile de absorbţie şi hidrogenul cu precădere. Dacă presiunea şi densitatea sunt mari, atomii de hidrogen se ciocnesc mai des şi interacţionează cu alţi atomi din gaz. Coliziunile cauzează schimbări de energie în atomii de hidrogen, ceea ce are ca rezultat linii spectrale de hidrogen pronunţate.

La o stea gigantă luminoasă, presiunea şi densitatea din atmosfera stelei este foarte scăzută datorită masei extinse pe un volum atât de mare. Prin urmare atomii (şi ionii)  sunt relativ îndepărtaţi, însemnând că ciocnirile dintre ei sunt mult mai puţine, ceea ce se reflectă în linii de hidrogen mai înguste. Într-o stea din Secvenţa Principală atmosfera fiind mai densă decât la o gigantă sau o supergigantă, cu coliziuni mai frecvente între atomi, liniile spectrale de hidrogen sunt mai largi.

În capitolele precedente am văzut cum putem asocia stelelor diferite clase de luminozitate. În figura de mai jos vedem cum aceste stele din diferite clase de luminozitate îşi ocupă locul în Diagrama H-R.

Cunoscând atât tipul spectral cât şi luminozitatea unei stele un astronom va şti imediat unde îşi are locul o stea în Diagrama H-R. De exemplu, o stea de tip G2V este o stea din Secvenţa Principala cu o luminozitate de 1 şi o temperatură la suprafaţă de aproximativ 5700K. În acelaşi fel, pentru Aldebaran, care este o stea de tip K5III, diagrama va demonstra că este o gigantă roşie cu o luminozitate de  şi o temperatura la suprafaţă de 4000K.

Diagrama H-R şi raza stelară

Diagrama H-R ne poate furniza în mod direct informaţii cu privire la raza stelară, pentru că luminozitatea unei stele depinde atât de temperatura la suprafaţă cât şi de suprafaţa sau raza acesteia.

Primul lucru pe care îl observăm în imaginea de mai sus este că stelele nu sunt aşezate haotic în diagramă ci par a urma o anumită regulă ce le repartizează în regiuni distincte. Prin urmare constatăm fără urma de îndoială că temperatura (clasa spectrală) şi luminozitatea se află în legătură. Grupările ce se formează se caracterizează astfel:

(mai mult…)