Η ζωή και ο θάνατος των αστεριών είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά πεδία μελέτης και η ραχοκοκαλιά της αστροφυσικής. Μια πολύ κοινή παρομοίωση είναι ότι τα αστέρια ακολουθούν μια πορεία όπως οι άνθρωποι, δηλαδή γεννιούνται, ωριμάζουν και πεθαίνουν, αφήνοντας πίσω τους τα αστρικά τους κουφάρια, όπως οι λευκοί νάνοι, οι αστέρες νετρονίων και οι αστρικές μαύρες τρύπες. Ωστόσο πολλές λεπτομέρειες της πορείας αυτής, καθώς και των διαδικασιών που ευνοούν τη γέννηση των άστρων μας είναι ακόμα άγνωστες.
Η αστρική εξέλιξη
Αν και η θεωρία της αστρικής εξέλιξης θεμελιώθηκε στις πρώτες δεκαετίες του 20ου αιώνα, υπάρχουν ακόμα πολλά ανοιχτά ερωτήματα, για τα οποία χρειάζεται μεγάλο πλήθος παρατηρήσεων και υπομονή∙ τα φαινόμενα στο Σύμπαν εξελίσσονται πολύ αργά για τα ανθρώπινα δεδομένα και οι αποστάσεις τους είναι τεράστιες, επομένως απαιτούν εξειδικευμένα και υψηλής ποιότητα όργανα παρατήρησης. Πρωτοπόρος στη θεωρία της αστρικής εξέλιξης ήταν ο Ινδoαμερικανός μαθηματικός και αστροφυσικός Subramanian Chandrasekhar, ο οποίος μοιράστηκε, για τις εργασίες του, το Βραβείο Νόμπελ του 1983 με τον πυρηνικό φυσικό William Fowler.
Απαραίτητα για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα αστέρια δημιουργούνται και εξελίσσονται ήταν η γνώση της σύστασης των αστεριών, της θερμοδυναμικής συμπεριφοράς της ύλης και των ιδιοτήτων των πυρήνων και των πυρηνικών αντιδράσεων. Η σταδιακή ενσωμάτωση αυτών των γνώσεων στην παραδοσιακή παρατηρησιακή αστρονομία κατά τα μέσα του 19ου και αρχές του 20ου αιώνα μετέτρεψαν την παρατήρηση του ουρανού σε αστροφυσική.
Σήμερα γνωρίζουμε ότι στο εσωτερικό των αστεριών παράγεται ενέργεια μέσω πυρηνικής σύντηξης. Κατά τη διάρκεια της «κανονικής» ζωής των αστέρων, το υδρογόνο του πυρήνα τους μετατρέπεται στο στοιχείο ήλιο, αποδίδοντας τεράστια ποσά ενέργειας, αρκετά για να εξασφαλίσουν τη σταθερότητα των άστρων. Σε αντίθετη περίπτωση, αυτά θα κατέρρεαν και θα διαλύονταν από το ίδιο τους το βάρος. Η ίδια ενέργεια διασχίζει το εσωτερικό των αστεριών και εκπέμπεται στο διάστημα υπό τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, όπως το ορατό φως, οι ακτίνες Χ, κλπ. Αυτή την ακτινοβολία είμαστε σε θέση να συλλέξουμε, επομένως οι πληροφορίες που έχουμε για το (αόρατο) εσωτερικό των άστρων είναι έμμεσες.
Η «κανονική» ζωή των αστεριών δεν διαρκεί για πάντα. Όταν το υδρογόνο στον πυρήνα εξαντληθεί, ο τελευταίος είναι πλέον πλούσιος σε ήλιο. Αρχικά, το βάρος του αστέρα συμπιέζει τον πυρήνα με αποτέλεσμα την περαιτέρω θέρμανσή του και όταν η θερμοκρασία αυξηθεί επαρκώς, θα είναι η σύντηξη του ηλίου η διαδικασία που θα παρέχει την απαραίτητη ενέργεια. Η ζωή του αστέρα έχει πάρει πλέον παράταση, αλλά όχι χωρίς τίμημα. Ο αστέρας διαστέλλεται και μετατρέπεται σε έναν ερυθρό γίγαντα, σηματοδοτώντας την αναπόφευκτη πορεία προς το αστρικό τέλος. Ακολουθώντας παρόμοια πορεία, η καύση του ηλίου κάποτε τερματίζεται και εφόσον οι συνθήκες το επιτρέπουν η πυρηνική σύντηξη δημιουργεί συνεχώς βαρύτερα στοιχεία στο εσωτερικό του αστέρα. Όταν στον πυρήνα δημιουργηθεί σίδηρος, ο αστέρας πλέον έχει χάσει κάθε εναλλακτική πηγή ενέργειας και οδεύει με βεβαιότητα προς το τέλος της ζωής του.
Τα αστέρια με πολύ μεγάλη μάζα τελειώνουν τη ζωή τους με μια εντυπωσιακή λαμπερή έκρηξη, μια έκρηξη υπερκαινοφανούς (supernova). Το μέρος του αστέρα που παραμένει συμπιέζεται με βιαιότητα μέχρι τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια (τα μικρότερα ελεύθερα σωματίδια που αποτελούν το αστρικό πλάσμα) να ενωθούν και να δημιουργήσουν έναν αστέρα νετρονίων. Αν η μάζα του εναπομείναντα αστέρα είναι ακόμα μεγαλύτερη, τότε ο αστέρας θα καταλήξει σε μια μελανή οπή (μαύρη τρύπα).
Με αφορμή τη σύντομη και απλουστευμένη περιγραφή της αστρικής εξέλιξης που προηγήθηκε αξίζει να σημειωθούν τα εξής:
Πρώτον ότι η σημαντικότερη παράμετρος που καθορίζει την εξέλιξη της ζωής των αστεριών είναι η μάζα τους. Τα πιο μαζικά αστέρια εξελίσσονται και οδηγούνται στο τέλος τους πολύ γρηγορότερα από ό,τι τα μεσαίας και μικρής μάζας. Για παράδειγμα, ο Ήλιος μας, ένα μικρομεσαίο αστέρι, δεν θα οδηγηθεί ποτέ σε έκρηξη υπερκαινοφανούς. Μετά τη φάση του ερυθρού γίγαντα, τα εξωτερικά τμήματα του Ήλιου θα εκσφενδονιστούν στο διάστημα σχηματίζοντας ένα νεφέλωμα ενώ το εναπομείναν εσωτερικό μέρος θα γίνει ένας λευκός νάνος.
Το δεύτερο αφορά στις επιπτώσεις που έχει η αστρική εξέλιξη στη σύσταση του Σύμπαντος. Γνωρίζουμε ότι αρχικά το Σύμπαν αποτελούνταν μόνο από υδρογόνο, το απλούστερο χημικό στοιχείο. Με τις διεργασίες που συμβαίνουν στο εσωτερικό των αστεριών, σχηματίζονται βαρύτερα στοιχεία, τα οποία, χάρη στις εκρήξεις των υπερκαινοφανών διασκορπίζονται στον μεσοαστρικό χώρο και τον εμπλουτίζουν, διευκολύνοντας τη δημιουργία αστέρων δεύτερης γενιάς σαν τον Ήλιο. Σύμφωνα με εκτιμήσεις, οι ίδιες οι εκρήξεις συμπιέζουν το υλικό στο περιβάλλον του αστέρα, διαμορφώνοντας ευνοϊκές συνθήκες για τη δημιουργία συμπυκνώσεων που μπορεί να οδηγήσουν στο σχηματισμό πρωτοαστέρων.
Πού και πώς γεννιούνται τα άστρα;
Tα αστέρια συνήθως γεννιούνται κατά ομάδες μέσα σε συγκεκριμένες περιοχές του μεσοαστρικού αερίου, δηλαδή του αερίου που «γεμίζει» το χώρο μέσα στους γαλαξίες. Σε αυτές τις περιοχές το αέριο είναι αρκετά πυκνό και οι συνθήκες κατάλληλες ώστε να σχηματίζονται τοπικές συγκεντρώσεις. Με τη βοήθεια της βαρύτητας, αυτές οι συγκεντρώσεις σταδιακά μεγαλώνουν και θερμαίνονται, σχηματίζοντας τους πρωτοαστέρες, τους προγεννήτορες των αστέρων. Από την περαιτέρω συμπίεση, η θερμοκρασία στο εσωτερικό των πρωτοαστέρων αυξάνεται και αν η θερμοκρασία στον πυρήνα τους ξεπεράσει τα μερικά εκατομμύρια βαθμούς, ξεκινούν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Τότε ο αστέρας ξεκινά τη σταθερή φάση της ζωής του, καθώς η πίεση της ακτινοβολίας εξισορροπεί την περαιτέρω συμπίεση λόγω της βαρύτητας.
Πιο συγκεκριμένα, οι περιοχές που ευνοούν την αστρική γένεση είναι τα μοριακά νέφη, που εντοπίζονται κυρίως στις σπείρες των σπειροειδών γαλαξιών. Ένα τέτοιο μοριακό νέφος μπορούμε να παρατηρήσουμε ακόμα και με γυμνό μάτι, κατά τις ανέφελες νύχτες μακριά από τη φωτορρύπανση των πόλεων, στο «ξίφος» του αστερισμού του Ωρίωνα, του πιο χαρακτηριστικού αστερισμού του νυχτερινού ουρανού. Το νεφέλωμα είναι μέρος ενός τεράστιου συμπλέγματος μοριακού νέφους, που φιλοξενεί πολλές περιοχές αστρικής γένεσης, ενώ άλλα τέτοια νέφη βρίσκονται στους αστερισμούς του Περσέα και του Ταύρου.
Ένα σημαντικό ερώτημα είναι πώς δημιουργούνται οι πυκνές αυτές περιοχές που ευνοούν την αστρική γένεση μέσα στα μοριακά νέφη. Σύμφωνα με ένα από τα σενάρια, αυτές οφείλουν την ύπαρξή τους στα κύματα πίεσης που διαδίδονται κατά μήκος των σπειρών των γαλαξιών. Ωστόσο υποστηρίζεται ότι οι περιοχές αστρογένεσης μπορεί επίσης να σχηματίζονται και από τα κρουστικά κύματα των εκρήξεων υπερκαινοφανών που συνέβησαν παλαιότερα σε γειτονικές περιοχές. Το πρώτο σενάριο υποστηρίζεται από παρατηρήσεις, καθώς οι περισσότερες περιοχές αστρογένεσης εντοπίζονται γενικά στις σπείρες των γαλαξιών. Για να εξακριβωθεί η πιθανή ισχύς του δεύτερου σεναρίου απαιτείται πιο ακριβής προσδιορισμός των αποστάσεων μέσα στα μοριακά νέφη και της κατανομής τους στον χώρο.
Υπερκαινοφανείς και φυσαλίδες στο μεσοαστρικό αέριο
Μια νέα μελέτη προσπάθησε να κάνει ακριβώς αυτό χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις της διαστημικής αποστολής Gaia, μια αποστολή της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA) που εκτοξεύτηκε το 2013 και θα βρίσκεται σε λειτουργία μέχρι το 2022. Σκοπός της αποστολής είναι να συγκεντρώσει λεπτομερείς παρατηρήσεις περίπου ενός δισεκατομμυρίου αστεριών, από τις οποίες εξάγεται η ακριβής θέση (αστρομετρία) και οι ακτινικές ταχύτητες (δηλαδή η ταχύτητα της κίνησης κατά μήκος της ακτίνας παρατήρησης). Με αυτά τα στοιχεία θα είναι εφικτή η κατασκευή του, μέχρι στιγμής, ακριβέστερου τρισδιάστατου χάρτη του Γαλαξία.
Βασιζόμενοι λοιπόν στις παρατηρήσεις του Gaia, η ομάδα ερευνητών κατάφερε να κατασκευάσει τρισδιάστατους χάρτες των μοριακών νεφών που παρατηρούνται στα νεφελώματα στους αστερισμούς του Ταύρου και του Περσέα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι όλοι αυτοί οι σχηματισμοί είναι κατανεμημένοι στην νοητή επιφάνεια μιας σφαίρας, με διάμετρο περίπου 500 έτη φωτός. Η ερευνητική ομάδα υποστηρίζει ότι το σχήμα και η δομή της «φυσαλίδας» υποδεικνύουν τη δράση μιας σειράς εκρήξεων υπερκαινοφανών πριν περίπου δέκα εκατομμύρια χρόνια, των οποίων τα κρουστικά κύματα δημιούργησαν την κατανομή αυτών των περιοχών. Επομένως, τα αποτελέσματα υποστηρίζουν την επίδραση των φαινομένων αυτών στην αστρογένεση. Το σημαντικότερο, αποδεικνύουν ότι οι παρατηρήσεις του Gaia επιτρέπουν την χαρτογράφηση περιοχών του ουρανού και τη σύγκρισή τους με πειράματα προσομοιώσεων, συμβάλλοντας στην βαθύτερη κατανόηση των μηχανισμών σχηματισμού των μοριακών νεφών και των αστρικών μαιευτηρίων.
Πηγές:
https://sci.esa.int/web/gaia/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac1f95
https://briankoberlein.com/post/when-worlds-collide/
