Ερυθροί Γίγαντες: Οι άτακτοι αστρικοί υπερήλικες
Εισαγωγή
Ο Ερυθρός Γίγαντας είναι ένας Αστέρας μικρής ή μεσαίας μάζας (0,5-10 ηλιακές μάζες), στα τελευταία στάδια αστρικής εξέλιξης.
Πρόκειται ουσιαστικά για έναν Αστέρα που έχει εξαντλήσει τα αποθέματα του Υδρογόνου στην κεντρική του περιοχή, οπότε αρχίζει την καύση του σε έναν φλοιό που περιβάλλει τον πυρήνα. Η εξωτερική του ατμόσφαιρα είναι διογκωμένη και αραιή και η επιφανειακή του θερμοκρασία σχετικά χαμηλή.
Ερυθρός Γίγαντας
Χαρακτηριστικά
Οι ερυθροί γίγαντες έχουν λαμπρότητες από 100 έως 10.000 φορές την λαμπρότητα του ήλιου. Η ακτίνα τους μπορεί να είναι μερικές δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από την ακτίνα του ήλιου. Η επιφανειακή τους θερμοκρασία εκτιμάται από 3.000 – 5.000 Κ, ενώ το χρώμα τους ποικίλει από πορτοκαλοκίτρινο έως κόκκινο.
Σχηματισμός Ερυθρού Γίγαντα
Όταν το Υδρογόνο (H) στο εσωτερικό ενός άστρου εξαντληθεί (δηλαδή το 10% περίπου της συνολικής ποσότητάς του), έχει σχηματιστεί ένας σημαντικά μεγάλος πυρήνας, με διαστάσεις περίπου μισής αστρικής ακτίνας, που αποτελείται από το προϊόν της καύσης του υδρογόνου, δηλαδή αδρανές Ήλιο (He). Κι ενώ το Υδρογόνο αρχίζει να καίγεται στα υπερκείμενα στρώματα, στον πυρήνα δεν πραγματοποιούνται θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Η χρονική στιγμή κατά την οποία αρχίζουν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις καύσης του Υδρογόνου στον υπερκείμενο του πυρήνα φλοιό, εξαρτάται από τη μάζα του άστρου. Για αστέρια με μάζα μικρότερη από 1,5 ηλιακές μάζες, η έναρξη της είναι σχεδόν ταυτόχρονη με την εξάντληση των αποθεμάτων του υδρογόνου στον πυρήνα.
Από αυτό το σημείο και καθώς η πίεση στο κέντρο του αστεριού ελαττώνεται τόσο, ώστε να μην μπορεί να υπερνικήσει την βαρύτητα των εξωτερικών στρωμάτων του αστεριού, η βαρυτική κατάρρευση αρχίζει έναν νέο κύκλο. Ο πυρήνας του αστεριού συστέλλεται, η θερμοκρασία του ανεβαίνει και ταυτόχρονα ακτινοβολεί, θερμαίνοντας τα υπερκείμενα στρώματα του Υδρογόνου. Καθώς η θερμοκρασία αυτών υπερβαίνει το όριο των 2·107 Κ, η καύση του Υδρογόνου δεν γίνεται πλέον με τον κύκλο πρωτονίου – πρωτονίου, αλλά με τον κύκλο άνθρακα – αζώτου , ο οποίος παράγει πολύ περισσότερη ενέργεια .
Τα εξωτερικά στρώματα του αστέρα διαστέλλονται πράγμα που σημαίνει ότι ενώ ο πυρήνας του συστέλλεται, ο ίδιος στο σύνολό του διαστέλλεται. Στον πυρήνα συμβαίνει μία διαρκής επισυσσώρευση υλικού καθώς τα προϊόντα της καύσης του υδρογόνου σε Ήλιο στους υπερκείμενους φλοιους, επιρρίπτονται διαρκώς σε αυτόν. H φωτεινότητα του αστέρα παραμένει περίπου σταθερή, αλλά εφ’ όσον διαστέλλεται (δηλαδή η ακτίνα του (R) αυξάνεται), η ενεργός του θερμοκρασία ελαττώνεται. Ο αστέρας μετακινείται από την Κύρια Ακολουθία και γίνεται ερυθρός υπογίγαντας.
Η συρρίκνωση του κεντρικού πυρήνα συνεχίζεται και τοιουτοτρόπως η θερμοκρασία σύντομα φτάνει στους 2·108 Κ, ικανή ώστε να αρχίσουν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις του Ηλίου που καίγεται προς Βηρύλλιο (Βe) και κατόπιν Άνθρακα (C).
Ο αστέρας αρχίζει να παράγει ενέργεια με ταχύτερο ρυθμό έτσι ώστε η εσωτερική του θερμοκρασία να αυξάνεται, η αργή βαρυτική συστολή να σταματά και ο αστέρας αν διαστέλλεται και να γίνεται γίγαντας.
Καθώς ακτινοβολεί από μεγαλύτερη επιφάνεια εξακολουθώντας να διατέλλεται, η δυναμική του ενέργεια αυξάνεται, οπότε για να αποκατασταθεί Θερμική Ισορροπία, ελαττώνεται η επιφανειακή του θερμοκρασία.
Σύμφωνα λοιπόν με τον νόμο του Wien (λmax·T=σταθ) το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας μετατοπίζεται προς μεγαλύτερες τιμές, δηλαδή προς το ερυθρό χρώμα. Έτσι λοιπόν το μεγαλύτερο ποσοστό της ακτινοβολούμενης ισχύος εκπέμπεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος και ο αστέρας φαίνεται ερυθρότερος, γίνεται δηλαδή ερυθρός γίγαντας.
Η συνεχής αύξηση της θερμοκρασίας στον πυρήνα, εξαιτίας των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων του Ηλίου, οδηγεί στην πραγματοποίηση όλο και πιο πολύπλοκων πυρηνικών αντιδράσεων. Στοιχεία όπως το Οξυγόνο (Ο), το Νέο (Ne), το Μαγνήσιο (Μg), το Πυρίτιο (Si), κάνουν την εμφάνισή τους. Διαδοχικά, όλο και πολυπλοκότεροι πυρήνες παράγονται.
Ας σημειωθεί εδώ ότι η καύση του ηλίου είναι εκρηκτική, βίαιη και μη ελεγχόμενη. Είναι η εποχή που ο αστέρας «σπαταλάει» αλόγιστα τα ενεργειακά του αποθέματα κι ενώ έκανε εκατομμύρια χρόνια να κάψει το Υδρογόνο του πυρήνα του, καίει με το Ήλιο μέσα σε πολύ μικρότερο χρονικό διάστημα.
Εφόσον λοιπόν στο στάδιο του Ερυθρού Γίγαντα οι αστέρες δαπανούν ενέργεια με πολύ ταχύ ρυθμό, δεν διαρκεί επί πολύ και οι αστέρες δαπανούν ένα πολύ μικρό ποσοστό της ζωής τους σε αυτό. Έτσι σε κάθε γαλαξία, οι ερυθροί γίγαντες είναι λίγοι στον αριθμό. Παρόλα αυτά, εξαιτίας των διαστάσεων και της λαμπρότητάς τους, οι ονομαστότεροι παρατηρήσιμοι αστέρες του ουρανού είναι ερυθροί γίγαντες.
Σημειώνουμε εδώ πως αν η μάζα ενός αστέρα είναι μικρότερη από 0.5 ηλιακές μάζες, η θερμοκρασία στο εσωτερικό του δεν θα φτάσει ποτέ στο σημείο έναρξης των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων καύσης του Ηλίου. Σε αυτήν την περίπτωση ο αστέρας δεν εισέρχεται στο στάδιο του ερυθρού γίγαντα, αλλά μετά την αρχική αύξηση της θερμοκρασίας του, ψύχεται καταλήγοντας σε Ερυθρό Νάνο. Ο Ερυθρός Νάνος συνεχίζει τη συστολή του και μετατρέπεται σε Λευκό και εν συνεχεία σε Μελανό Νάνο. Επειδή οι Ερυθροί Νάνοι έχουν πολύ μικρή μάζα, θεωρητικά μπορούν να παραμείνουν στην Κύρια Ακολουθία για χρονικό διάστημα πολύ μεγαλύτερο από την σημερινή ηλικία του Σύμπαντος. Συνεπώς είναι αδύνατον, κάποιοι από τους λευκούς νάνους που υπάρχουν σήμερα στο Σύμπαν, να προέρχονται από την εξέλιξη ερυθρών νάνων.
Η ιστορία επαναλαμβάνεται και μετά την εξάντληση των αποθεμάτων του Ηλίου του Πυρήνα που αποτελείται κυρίως από Άνθρακα, επειδή η θερμοκρασία (108 Κ) δεν επαρκεί για την καύση του στοιχείου αυτού, αρχίζει εκ νέου η βαρυτική του συστολή, ενώ το κέλυφος διαστέλλεται. Η εξέλιξη στον κλάδο των ερυθρών γιγάντων συνεχίζεται.
Παράλληλα, το Ήλιο το οποίο υπάρχει στον φλοιό που περιβάλλει τον πυρήνα (η στάχτη της καύσης του Υδρογόνου που συνέβη εκεί κατά το προηγούμενο στάδιο) αναφλέγεται, ενώ στον δεύτερο φλοιό ερχίζει να καίγεται το Υδρογόνο. Ο αστέρας βρίσκεται τώρα στο στάδιο καύσης διπλού φλοιού και καθώς διαστέλλεται, διαπερνά στον κλάδο τον ερυθρών υπεργιγάντων στον οποίο, εξαιτίας του γοργού ρυθμού κατανάλωσης ενέργειας, δαπανά ένα πολύ σύντομο σχετικά χρονικό διάστημα.
Δεν είναι βέβαιo ότι θα καταφέρει ο αστέρας να φτάσει στην θερμοκρασία η οποία είναι απαραίτητη για την έναρξη των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων καύσης του Άνθρακα και την δημιουργία βαρύτερων στοιχείων.
Στο σημείο αυτό λοιπόν, διακρίνουμε δύο περιπτώσεις:
- H θερμοκρασία του Πυρήνα αυξάνεται και φθάνει σε ικανό σημείο ώστε να αρχίσουν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις του άνθρακα, οπότε και σταθεροποιείται. Η εξέλιξη του άστρου συνεχίζεται σε αστέρα νετρονίων ή σε μελανή οπή.
- Ο Πυρήνας δεν γίνεται ποτέ αρκετά θερμός ώστε να επέλθει ανάφλεξη του Άνθρακα, οπότε σταματάει η περαιτέρω εξέλιξη του άστρου.
Γνωστοί Ερυθροί Γίγαντες
Ο γνωστότερος ερυθρός γίγαντας του Τοπικού Γαλαξία είναι ο Αντάρης (Antares), ο οποίος βρίσκεται στον αστερισμό του Σκορπίου, σε απόσταση 500 ετών φωτός από την Γη. Είναι ο μεγαλύτερος (σε όγκο) γνωστός αστέρας, με ακτίνα 700 φορές μεγαλύτερη από την ακτίνα του Ήλιου.
Ο Αλδεβαράνης (Aldebaran), ο γνωστός στους αρχαίους Έλληνες «οφθαλμός του Ταύρου», είναι ορατός ως ένα ερυθρό σημείο στον αστερισμό του Ταύρου. Απέχει 68 έτη φωτός και η ακτίνα του είναι 38 – 45 φορές μεγαλύτερη από την ακτίνα του Ήλιου. Είναι ο πρώτος αστέρας που ανακαλύφθηκε ότι εμφανίζει Ιδία Κίνηση, κατακρημνίζοντας την αντίληψη ότι οι αστέρες παραμένουν ακίνητοι.
Ο Βετελγόζης (Betelgeuse), που βρίσκεται στον αστερισμό του Ωρίωνα, απέχει από τη Γη 600 έτη φωτός. Η ακτίνα του είναι 730 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου και συνεχώς πάλλεται, με αποτέλεσμα να μην έχει σταθερές διαστάσεις. Λόγω της προχωρημένης ασταθούς κατάστασής του, πιστεύεται ότι θα εκραγεί ως υπερκαινοφανής αστέρας.
(Ας σημειωθεί εδώ, ότι οι διάφορες τιμές που δίδονται στην διεθνή βιβλιογραφία τόσο για το μέγεθος των αστέρων όσο και για την απόστασή τους από την Γη, διαφέρουν σε πολλές περιπτώσεις αρκετά μεταξύ τους).
Το άρθρο αυτό βρίσκεται και εδώ.
