Περισσότερα από όσα βλέπει το μάτι: πως βλέπουν τα διαστημικά τηλεσκόπια πέρα από το ουράνιο τόξο Understand article

Μετάφραση από την Αιμιλία Ξανθοπούλου (Emily Xanthopoulos). Πως ερευνούν οι αστρονόμοι τον κύκλο ζωής των αστεριών; Στον Ευρωπαϊκό Διαστημικό Οργανισμό, αυτό γίνεται…

Όταν παρατηρούμε τον νυχτερινό ουρανό, το κοσμικό τοπίο που βλέπουμε διαμορφώνεται από αστέρια. Παρόλο που τα περισσότερα φαίνονται σαν σημεία λευκού φωτός, μερικά – ακόμη και στο γυμνό μάτι –  φαίνονται χρωματιστά. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα μπορεί να δει κανείς στον αστερισμό του Ωρίωνα, του κυνηγού: ο δεξιός του ώμος είναι o κόκκινος υπεργίγαντας Betelgeuse και το αριστερό του γόνατο, ο μπλε  υπεργίγαντας Rigel.

Τα ‘χρώματα’ οφείλονται σε διαφορές στην θερμοκρασία της επιφάνειας των αστεριών^w1: τα πιο θερμά αστέρια εκπέμπουν το περισσότερο φως τους στην ορατή μπλε η υπεριώδη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, ενώ τα πιο ψυχρά αστέρια ακτινοβολούν σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, στην ορατή κόκκινη η υπέρυθρη περιοχή (δείτε Mignone & Barnes, 2011a).

Αλλά τι κάνει ένα αστέρι θερμό η ψυχρό; Υπάρχουν δύο κύριοι παράγοντες: το στάδιο στο οποίο βρίσκεται το αστέρι στον κύκλο ζωής του, και η μάζα του. Η μάζα είναι σημαντική γιατί καθορίζει τον ρυθμό με τον οποίο ένα αστέρι καταναλώνει το πυρηνικό του καύσιμο: μεγαλύτερα αστέρια καίγονται πιο γρήγορα, παράγοντας πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες.

Για να διερευνήσει κανείς πως τα αστέρια διαφόρων μεγεθών αναπτύσσονται κατά την διάρκεια της ζωής τους, οι εκπομπές τους στο φάσμα από το υπεριώδες μέχρι το υπέρυθρο είναι ιδιαίτερα σημαντικές. Δυστυχώς, ένα μεγάλο μέρος από αυτά τα μήκη κύματος μπλοκάρονται από την ατμόσφαιρα της Γης και τα υπόλοιπα μπορεί να επηρεαστούν από τις ατμοσφαιρικές αναταράξεις, και έτσι τα διαστημικά τηλεσκόπια έχουν αποδειχθεί ένα εξαιρετικά σημαντικό εργαλείο στην έρευνα της δημιουργίας και εξέλιξης των αστεριών.

Ο Ευρωπαϊκός Διαστημικός Οργανισμός (ESA)^w3 έχει χειριστεί διάφορες διαστημικές αποστολές που σκοπός τους ήταν να μελετήσουν αυτό το εύρος μήκους κύματος – κυρίως το Υπέρυθρο Διαστημικό Τηλεσκόπιο (Infrared Space Observatory) και το  Herschel Διαστημικό Τηλεσκόπιο (Herschel Space Observatory), και τα δύο αποτελούν μεγάλα υπέρυθρα τηλεσκόπια – και έχει συμμετάσχει σε κοινά προγράμματα με άλλους διαστημικούς οργανισμούς. Αυτό τον καιρό, το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων-Χ του ESA (XMM-Newton) είναι επίσης εξοπλισμένο με ένα τηλεσκόπιο πολύ ευαίσθητο στο υπεριώδες και ορατό φως, το  Οπτικό Μόνιτορ (δείτε το Mignone & Barnes, 2011b). Από αυτές εδώ και πολλές άλλες παρατηρήσεις, οι αστρονόμοι έχουν χτίσει μια καλή εικόνα για τα στάδια στις ζωές των αστεριών, με κάθε στάδιο στο μονοπάτι από την γέννηση ως τον θάνατο να εξαρτάται από την μάζα του αστεριού.

Μεγάλα αστέρια

Παρόλο που είναι σχετικά σπάνια, τα μεγάλης μάζας αστέρια είναι τα πιο λαμπρά και τα πιο θερμά από όλα, και παρατηρούνται καλύτερα στα πιο μικρά, υψηλότερης ενέργεια μήκη κύματος από το υπεριώδες ως το ορατό μπλε φως. Τέτοια αστέρια έχουν μάζες τουλάχιστον οκτώ φορές την μάζα του Ήλιου και υψηλές επιφανειακές θερμοκρασίες 10 000 Κ η περισσότερο, αλλά εξαντλούν την παροχή του υδρογόνου τους πιο γρήγορα από αστέρια μικρότερης μάζας: σε διάστημα μερικών δεκάδων εκατομμυρίων χρόνων, σε σύγκριση με τα δισεκατομμύρια χρόνων για αστέρια όπως ο Ήλιος. Κατά την διάρκεια αυτού του διαστήματος, τα υψηλής μάζας αστέρια παράγουν  ισχυρούς  ‘ανέμους’  (ρεύματα ενεργών σωματιδίων) που μπορούν να θέσουν σε ενέργεια η να σταματήσουν την δημιουργία αστεριών στο περιβάλλον τους. Χρησιμοποιώντας δεδομένα από τον δορυφόρο International Ultraviolet Explorer (IUE), οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει πόση από την μάζα του αστεριού παρασύρεται από αυτούς τους ανέμους, ποσό που φαίνεται να αυξάνεται με την ηλικία του αστεριού.

Προς το τέλος της ζωής τους, τα μεγάλου μεγέθους αστέρια διογκώνονται γρήγορα και γίνονται κόκκινοι γίγαντες η υπεργίγαντες, όπως ο Betelgeuse στον αστερισμό του Ωρίωνα. Με τις πολύ μεγάλες ακτίνες τους και τις χαμηλές επιφανειακές θερμοκρασίες, αυτά ακτινοβολούν κυρίως στο υπέρυθρο. Τελικά, εκρήγνυνται ως υπερκαινοφανείς (δείτε Székely & Benedekfi (2007) για περισσότερα σχετικά με τον θάνατο των αστεριών).

Στις 23 Φεβρουαρίου του 1987, φως από μια έκρηξη υπερκαινοφανούς στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου έφτασε για πρώτη φορά στην Γη. Συγκρίνοντας δεδομένα από τον IUE πριν και μετά την παρατήρηση της έκρηξης, οι αστρονόμοι προσδιορίσανε τον πρόγονο αστέρα – και βρήκαν ότι ήταν ένας μπλε, και όχι ένας κόκκινος, υπεργίγαντας. Πριν από το 1987, οι αστρονόμοι πίστευαν ότι μόνο οι κόκκινοι υπεργίγαντες θα μπορούσαν να εκραγούν ως υπερκαινοφανείς, αλλά αυτή η παρατήρηση απέδειξε ότι και άλλοι τύποι εξελιγμένων αστεριών  μπορούν επίσης να παράγουν και αυτές τις εκρήξεις.

Οι μπλε υπεργίγαντες είναι μικρότεροι και πιο πυκνοί από τους αντίστοιχους τους κόκκινους. ένα παράδειγμα είναι ο Rigel στον αστερισμό του Ωρίωνα. Από τότε, οι αστρονόμοι μελετούνε τα επακόλουθα της έκρηξης. Φως από τον υπερκαινοφανή θερμαίνει το αέριο και την σκόνη στο περιβάλλον του, κάνοντας τον να ακτινοβολεί στα οπτικά μήκη κύματος, ενώ η πιο ψυχρή σκόνη που παράγεται στην έκρηξη ακτινοβολεί στα υπέρυθρα μήκη κύματος (εικόνα 1).

Χαμηλής μάζας αστέρια

Η πλειονότητα των αστεριών έχουν σχετικά μικρές μάζες, παρόμοιες με αυτήν του Ήλιου η και μικρότερες. Με επιφανειακές θερμοκρασίες που κυμαίνονται μεταξύ 4000 και 10 000 Κ, αυτά τα αστέρια κατακυριεύουν τα οπτικά μήκη κύματος, ακτινοβολώντας έντονα στο κίτρινο, πορτοκαλί και κόκκινο φως. Καίνε υδρογόνο πιο αργά από τα μεγάλης μάζας αστέρια, με διάρκεια ζωής που φτάνει τις δεκάδες δισεκατομμυρίων χρόνων. Τα μικρής μάζας αστέρια γίνονται επίσης κόκκινοι γίγαντες προς το τέλος της ζωής τους, ενώ διογκώνονται και γίνονται ψυχρότερα στην επιφάνεια.  Στο τέλος, αποβάλλουν τα εξωτερικά τους στρώματα, δημιουργώντας διαστελλόμενα κελύφη αερίου που ονομάζονται πλανητικά νεφελώματα (εικόνα 2). Αυτά τελικά διασκορπίζονται και αφήνουν πίσω ζεστά, συμπαγή σώματα που είναι γνωστά ως άσπροι νάνοι.

Στον δικό μας Γαλαξία, τα περισσότερα αστέρια έχουν ακόμη μικρότερες μάζες – περίπου την μισή από αυτή του Ήλιου η και μικρότερες – με πιο ψυχρές επιφάνειες που ακτινοβολούν κυρίως στα πιο μικρά υπέρυθρα μήκη κύματος, που ονομάζονται εγγύς-υπέρυθρα. 

Ο θάνατος τέτοιων τόσο χαμηλής μάζας αστεριών δεν είχει παρατηρηθεί ποτέ προηγουμένως, γιατί η ηλικία του ίδιου του Σύμπαντος είναι μικρότερη από την διάρκεια ζωής τους: χιλιάδες δισεκατομμυρίων χρόνων, η και περισσότερο.

Το πιο ψυχρό υλικό στο Σύμπαν ακτινοβολεί στα μήκη κύματος του μακρινού-υπέρυθρου που στοχοποιούνται από τον Herschel, και στα μεγαλύτερα μήκη κύματος των μικροκυμάτων όπως διερευνώνται από τον Planck, έναν δορυφόρο πού  εκτοξεύτηκε μαζί με τον Herschel το 2009. Στο επόμενο άρθρο μας, θα περιγράψουμε πως αυτές οι δύο αποστολές προωθούν περαιτέρω την γνώση μας για την δημιουργία των αστεριών σε όλο το Σύμπαν.

Η δημιουργία των αστεριών και η κοσμική σκόνη

Τα αστέρια δημιουργούνται από την μεσοαστρική ύλη –  ένα διάχυτο μείγμα αερίου και κοσμικής σκόνης που είναι η δεξαμενή ενός γαλαξία για την δημιουργία αστεριών. Η σκόνη απορροφά το ορατό φως αλλά είναι διαπερατή από τα εγγύς-υπέρυθρα μήκη κύματος, και έτσι οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν το εγγύς-υπέρυθρο φάσμα για να κοιτάξουν μέσα από την σκόνη και να δουν πολύπλοκες διεργασίες σε δράση, όπως την δημιουργία πρώτο-πλανητικών δίσκων γύρω από τα νεογέννητα αστέρια. Αυτοί οι δίσκοι, που παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, είναι σπόροι μελλοντικών πλανητικών συστημάτων όπως το δικό μας Ηλιακό Σύστημα (εικόνα 4). Οι Πρωτοαστέρες, που δεν έχουν ακόμη φτάσει την θερμοκρασία των ολοκληρωμένων αστεριών, ακτινοβολούν επίσης έντονα στα υπέρυθρα μήκη κύματος. Η ίδια η κοσμική σκόνη λάμπει έντονα στα μεγάλα μήκη κύματος (τα μέσα- και μακρά-υπέρυθρα) εξαιτίας της χαμηλής της θερμοκρασίας. Χρησιμοποιώντας αυτά τα μήκη κύματος, οι αστρονόμοι μπορούν να δουν  αυτήν την γεμάτη σκόνη διαστρική ύλη στον Γαλαξία μας και πέρα από αυτόν,  παρέχοντας μια προεπισκόπηση των αστεριών που πρόκειται να έρθουν (εικόνα 5). Οι υπέρυθρες παρατηρήσεις έχουν ανιχνεύσει επίσης μόρια που παίζουν σημαντικό ρόλο στις χημικές αντιδράσεις της δημιουργίας των αστεριών – όπως το διαστρικό νερό, που εντοπίστηκε για πρώτη φορά από το Υπέρυθρο Διαστημικό Τηλεσκόπιο στα τέλη του 1990. Σήμερα, οι αστρονόμοι συνεχίζουν να αποκαλύπτουν την πολύπλοκη χημική σύσταση των περιοχών δημιουργίας αστεριών εξερευνώντας τα πλούσια δεδομένα που συλλέγονται από το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Herschel.

Αστρικά σμήνη

Καθώς οι αστρονόμοι παρατηρούν τα μεμονωμένα αστέρια, μελετούν την εξέλιξη των αστεριών διαφορετικών μεγεθών παρατηρώντας μεγάλες ομάδες αστεριών που ονομάζονται αστρικά σμήνη^w2. Το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble, με την ευρεία φασματική κάλυψη από το υπεριώδες ως το εγγύς-υπέρυθρο, παρέχει φανταστικές εικόνες των αστρικών σμηνών που απεικονίζουν την τεράστια ποικιλία  των αστεριών μέσα τους (εικόνα 3). Αυτές οι εικόνες έχουν οδηγήσει σε μερικές από τις πιο αξιοσημείωτες ανακαλύψεις. Για παράδειγμα, πριν το Hubble, οι αστρονόμοι πίστευαν ότι τα αστέρια στα σφαιρικά σμήνη (αστρικά σμήνη που δημιουργήθηκαν όταν ο Γαλαξίας μας ακόμη διαμορφωνόταν) γεννήθηκαν όλα την ίδια εποχή. Οι εικόνες του Hubble έδειξαν ότι τα αστέρια τους δημιουργήθηκαν κατά την διάρκεια αρκετών διακριτών επεισοδίων, και ότι τα σφαιρικά σμήνη είναι πολύ πιο πολύπλοκα από ότι πίστευαν πριν. Άλλες παρατηρήσεις του Hubble επιβεβαίωσαν ότι τα πιο μπλε (και επομένως μεγαλύτερης μάζας) αστέρια τείνουν να βυθίζονται προς το κέντρο του σφαιρικού σμήνους, ενώ τα πιο κόκκινα, μικρότερα αστέρια κινούνται στην περιφέρεια – μια ιδέα που είχε από καιρό προβλεφθεί από την θεωρία, αλλά δεν είχε ποτέ παρατηρηθεί.

References

• Mignone C., Barnes R. (2011a) Περισσότερα από όσα βλέπει το μάτι: το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Science in School 20.
• Mignone C., Barnes R. (2011b) Περισσότερα από όσα βλέπει το μάτι: αποκαλύπτοντας τον κόσμο στις υψηλές ενέργειες. Science in School 21.
• Székely P., Benedekfi Ö. (2007) Η σύντηξη στο Διάστημα: όταν ένα γιγαντιαίο άστρο πεθαίνει….Science in School 6.

Web References

• w1 – Μάθετε πως το μήκος κύματος στο οποίο εκπέμπει το περισσότερο από το φως του ένα ουράνιο σώμα σχετίζεται με την θερμοκρασία του σώματος.
• w2 – Μάθετε περισσότερα για τα αστρικά σμήνη.
• w3 – Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον Ευρωπαϊκό Διαστημικό Οργανισμό, επισκεφθείτε την ιστοσελίδα του ESA.
• w4 – Μάθετε περισσότερα για το EIROForum.

Resources

• Για να μάθετε περισσότερα για την οπτική αστρονομία στον ESA, δείτε το Episode 4 of the Science@ESA vodcast στην ιστοσελίδα της Επιστήμης και Τεχνολογίας του ESA.
• Για να μάθετε περισσότερα για την υπέρυθρη αστρονομία στον ESA, δείτε το Episode 3 of the Science@ESA vodcast στην ιστοσελίδα της Επιστήμης και Τεχνολογίας του ESA.
• Κάντε μερικές πρακτικές ασκήσεις για τα σφαιρικά σμήνη.
• Ελέγξτε όλο το εκπαιδευτικό υλικό που παράγεται από τον ESA.

  • Όλο το εκπαιδευτικό υλικό που παράγεται από τον ESA διατίθεται δωρεάν στους εκπαιδευτικούς στα 18 κράτη μέλη του ESA. Ένα μεγάλο μέρος είναι μεταφρασμένο σε διάφορες Ευρωπαϊκές γλώσσες.

• Για να μάθετε περισσότερα για τις δραστηριότητες της Διεύθυνσης του Ευρωπαϊκού Διαστημικού Οργανισμού για την Εξερεύνηση της Επιστήμης και Ρομποτικής.

Institutions

Author(s)

Η Claudia Mignone, Vitrociset Βέλγιο για τον ESA – Ευρωπαϊκός Διαστημικός Οργανισμός, είναι επιστημονικός συγγραφέας στην Διεύθυνση Επιστημονικής και Ρομποτικής Εξερεύνησης του ESA. Έχει πτυχίο αστρονομίας από το Πανεπιστήμιο της Μπολόνια, Ιταλία, και διδακτορικό στην κοσμολογία από το Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης, Γερμανία. Πριν να ενταχθεί στον ESA, εργάστηκε στο γραφείο της δημόσιας προβολής του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου (ESO).

Η Rebecca Barnes, HE Διαστημικές Επιχειρήσεις για τον ESA – Ευρωπαϊκός Διαστημικός Οργανισμός, είναι σύμβουλος εκπαίδευσης στην Διεύθυνση Επιστημονικής και Ρομποτικής Εξερεύνησης του ESA. Έχει πτυχίο στην φυσική και αστροφυσική από το Πανεπιστήμιο του Leicester, UK, και εργάστηκε προηγουμένως στα τμήματα εκπαίδευσης και διαστημικών επικοινωνιών του Εθνικού Κέντρου Διαστήματος της Μεγάλης Βρετανίας. Για να μάθετε περισσότερα για τις εκπαιδευτικές δραστηριότητες της Διεύθυνσης Επιστημονικής και Ρομποτικής Εξερεύνησης του ESA, επικοινωνήστε με την Rebecca στο SciEdu@esa.int.

Review

Αυτό το άρθρο περιγράφει τους κύκλους ζωής των αστεριών και πως να ερευνήσετε την συμπεριφορά τους. Οι ερευνητικές δραστηριότητες επικεντρώνονται στις αποστολές του Ευρωπαϊκού Διαστημικού Οργανισμού (ESA) και στα αποτελέσματα τους.

Οι συγγραφείς εξηγούν με έναν πολύ ενδιαφέροντα τρόπο πως η μάζα ενός αστεριού, η θερμοκρασία του και το μήκος κύματος του συνδέονται μεταξύ τους, και πως αυτή η γνώση εφαρμόζεται στο πολύ μεγάλο πεδίο της έρευνας της αστροφυσικής.

Αυτό το άρθρο είναι χρήσιμο κυρίως στα μαθήματα φυσικής, ειδικά εστιασμένα στην αστροφυσική, αλλά μπορεί επίσης να συνδεθεί με την γεωγραφία και ακόμη και με τις γλώσσες.

Το άρθρο θα μπορούσε να προτρέψει συζήτηση γύρω από ένα ευρύ φάσμα ερωτήσεων, συμπεριλαμβανομένων:

• Περιγράψτε τις διαφορές στον κύκλο ζωής των μεγάλης και μικρής μάζας αστεριών.
• Δώστε μια γενική εικόνα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (π.χ. ορατό, υπέρυθρο και υπεριώδες φως).
• Συζητήστε για την σχέση ανάμεσα στο μήκος κύματος, την ενέργεια και την συχνότητα
• Γιατί εκτός από τα επίγεια τηλεσκόπια  χρησιμοποιούμε και διαστημικά τηλεσκόπια;
• Ποια είναι η σχέση ανάμεσα στην επιφανειακή θερμοκρασία και το χρώμα (μήκος κύματος) των αστεριών;
• Πως εξαρτάται ο κύκλος ζωής ενός αστεριού από την μάζα του;
• Τι είναι τα αστρικά σμήνη;
• Τι συμβαίνει στα μεγάλα αστέρια στο τέλος της ζωής τους; 

Gerd Vogt, Ανώτατο Γυμνάσιο Περιβάλλοντος και Οικονομικών, Yspertal, Αυστρία

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF