تکامل ستارگان

این مقاله شامل اطالعات مفیدی در مورد ستاره ها و تکامل
آنها برای معلمین فیزیک دوره متوسطه می باشد. همچنین
شامل لینک هایی برای برنامه تحصیلی علمی مدارس است و
چند فعالیت مرتبط برای دانش آموزان پیشنهاد شده.
•
اهداف
شناخت تکامل ستارگان و فرآیندهای تعیین آن
شناخت نمودار هرتسپرنگ راسل
شناخت قدر ظاهری و قدر مطلق ستارگان
مقدمه
تکامل ستارگان به تغییراتی گفته می شود که در ستارگان
رخ می دهد. از زمان تولد، تا عمر و زندگی طوالنی که
دارند، تا مرگ آنها. جاذبه ستارگان را مجبور به تابش
انرژی می کند. برای برقراری توازن انرژی از دست رفته،
ستارگان بوسیله همجوشی هسته ای عناصر سبکتر به عناصر
سنگینتر تولید انرژی می کنند. این اتفاق به آرامی باعث
تغییر ترکیبات شیمیایی آنها و همچنین تغییر سایر
خصوصیات آنها می شود. در نهایت سوخت هسته ای آنها به
پایان می رسد و می میرند. شناخت ماهیت و تکامل ستارگان
به ما کمک می کند تا ماهیت و تکامل خورشیدمان – ستاره ای
که حیات را در زمین ممکن کرده- را بشناسیم )و قدردان آن
باشیم!(. به ما کمک می کند که منشا منظومه شمسی را یاد
بگیریم و همچنین اتم ها و ملکول هایی که همه چیز – که
حیات هم شامل آن می شود- را ساختند. همینطور به ما کمک
می کند بعضی از پرسشهای اساسی مانند” آیا سایر ستارگان
انرژی به قدر کافی تولید می کنند و به اندازه کافی
زندگی می کنند و به اندازه کافی پایدار می مانند تا
زندگی در سیارات اطراف خود رشد و تکامل یابد؟” به این
دلیل و سایر دالیل، تکامل ستاره ای موضوعی جذاب برای
دانش آموزان است.
NASE publications The Evolution of the Stars
خصوصیت خورشید و ستارگان
اولین قدم برای درک منشا و تکامل خورشید و ستارگان، درک
خصوصیات آنهاست. دانش آموزان باید درک کنند که چگونه این
خصوصیات تعیین می شوند. خورشید نزدیکترین ستاره است.
خورشید در سایر بخش های این مجموعه مورد بررسی قرار
گرفته است. در این مقاله، خورشید را طوری در نظر می
گیریم که به تکامل ستاره ای مربطت شود. دانش آموزان
باید خصوصیات و ساختار و منبع انرژی خورشید بدانند،
زیرا همین اصول منجمان را قادر می سازد ساختار و تکامل
همه ستاره ها را تعیین کنند.
خورشید
در مقایسه با خصوصیات سایر ستارگان، ویژگیهای اصلی
خورشید نسبتاً به آسانی رصد می شود. فاصله متوسط آن
495978715.1 x 10^11 متر است؛ ما این فاصله را یک واحد
نجومی می نامیم. از این طریق محاسبات هندسی، شعاع زاویه
ای مشاهده شده آن )6/959 قوس در ثانیه( می تواند، به
696.265 یا متر 8^10 x 6.96265 :شود تبدیل خطی شعاع
کیلومتر. شار مشاهده شده آن 1370 2^M/W در فاصله زمین می
تواند به یک کل قدرت تبدیل شود: 85.3 x 10^26 وات. با
استفاده از قوانین حرکت و گرانش نیوتن می توان میزان
جرم آن را از کشش گرانشی آن بر روی سیارات تعیین کرد:
989.x1 10^30 کیلوگرم. دمای سطح تابشی آن – الیه ای که از
آن نور می آید – 5780 کلوین است. دوره چرخش آن حدود 25
روز است، اما در طول های مختلف جغرافیایی در خورشید
متفاوت است، و تقریبا گرد است. خورشید، در درجه اول از
هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است. در فعالیت 2 ،دانش
آموزان می توانند خورشید، نزدیکترین ستاره ما را مشاهده
کنند تا ببینند یک ستاره چگونه به نظر می رسد.
NASE publications The Evolution of the Stars
ستارگان
بارزترین ویژگی قابل مشاهده ستاره ، درخشندگی ظاهری آن
است.. این به عنوان قدر اندازه گیری می شود، که یک
اندازه گیری لگاریتمی جریان انرژی است که ما دریافت می
کنیم.
مقیاس بزرگی توسط اخترشناس یونانی هیپارخوس )حدود 160-
120 قبل از میالد( توسعه یافته است. او ستارگان را به
بزرگی 1 ، 2 ، 3 ، 4 و 5 طبقه بندی کرد. به همین دلیل
ستارگان کم فروغتر دارای بزرگی مثبت تر هستند. بعداً مشخص
شد که، چون حواس ما به صورت لگاریتمی به محرکها واکنش
نشان می دهند، نسبت ثابت روشنایی )512.2 )وجود دارد که
مربوط به اختالف 0.1 در بزرگی است. درخشان ترین ستاره
آسمان شب قدر -44.1 دارد. کم نور ترین ستاره ای که با
بزرگترین تلسکوپ قابل مشاهده است، قدری در حدود 30 را
دارد .
میزان روشنایی ظاهری، B ،یک ستاره به قدرت آن، D ، و
فاصله آن، P ،بستگی دارد. طبق قانون معکوس از روشنایی:
میزان روشنایی به طور مستقیم متناسب با قدرت است، و
برعکس متناسب با مربع فاصله : 2^D / P  B . برای
ستارگان نزدیک، فاصله را می توان با اختالف منظر اندازه
گرفت. در فعالیت1 ،دانش آموزان می توانند نشان دهند که
اختالف منظر متناسب با فاصله جسم مشاهده شده است. قدرت
ستارگان را می توان از روشنایی اندازه گیری شده و برای
شدت روشنایی، قانون مربع معکوس را محاسبه کرد.
ستارگان مختلف، کمی رنگ متفاوت دارند. با دیدن ستاره
های ریگل )بتا اوریون( و بتلج وز )آلفا اوریون( در صورت
فلکی اوریون )شکل 1 )می توانی د این را به راحتی مشاهده
کنید. در فعالیت 3 ، دانش آموزان می توانند شب ها
ستارگان را مشاهده کنند و شگفتی و زیبایی آسمان واقعی
را تجربه کنند. رنگ ستارگان به دلیل دمای متفاوت الیه
های تابشی ستارگان است. ستاره های خنک کمی قرمز به نظر
می رسند. ستاره های داغ کمی آبی به نظر می رسند. )این
برخالف رنگهایی است که شما در شیرهای آب گرم و سرد حمام
خود مشاهده می کنید!( به دلیل روشی که چشمان ما به رنگ
NASE publications The Evolution of the Stars
پاسخ می دهند ، یک ستاره قرمز به رنگ قرمز مایل به سفید
به نظر می رسد و یک ستاره آبی به رنگ آبی مایل به سفید
ظاهر می شود .
رنگ را می توان دقیقاً با یک فتومتر با فیلترهای رنگی
اندازه گیری، و سپس دما را می توان از رنگ تعیین کرد.
شکل 1:صورت فلکی شکارچی . ابط الجوزا، ستاره سمت چپ باال، سرد است و
بنابراین مایل به قرمز بنظر می رسد. ریگل، ستاره راست پایین، گرم است و
به همین دلیل مایل به آبی است . سحابی شکارچی در وسط صورت فلکی در زیر
سه ستاره ظاهر می شود .
دمای ستاره را نیز می توان از طیف آن تعیین کرد – توزیع
رنگ ها یا طول موج در پرتوی ستاره )شکل 2)را مشاهده می
کنید. این شکل زیبایی طیف های نور ستارگان را نشان می
دهد. این نور از جو بیرونی ستاره عبور کرده است و یونها،
اتمها و مولکولهای موجود در جو طول موجهای خاص را از
طیف منتشر می کنند. این خطوط تیره یا رنگهای از دست رفته
را در طیف ایجاد می کند )شکل 2 .)بسته به دمای جو ممکن
است اتمها یونیزه شوند، برانگیخته شوند و یا در
مولکولها ترکیب شوند . وضعیت اتم ها را در طیف آن می توان
مشاهده کرد، بنابراین اطالعاتی در مورد دما ارائه می
دهد.
NASE publications T