Σεμινάριο Φυσικής Εξέλιξη των αστέρων:λευκοί νάνοι,αστέρες νετρονίων,μελανές οπές Λυδία Μακρυγιάννη Υπεύθυνος Καθηγητής:κ.Γ.Κουτσούμπας

Περιεχόμενα Αστέρες Παρατηρησιακά φαινόμενα Λόγοι Εξέλιξης Hertzsprung-Russell ή H-R διάγραμμα Εξέλιξη αστέρων μικρής-μεγάλης μάζας Λευκοί Νάνοι Αστέρες νετρονίων Μελανές Οπές

Άστρα-Αστέρες Λαμπερά ουράνια σώματα Ιδιότητες παρόμοιες με αυτές του ήλιου μας Μσ<0,08Μη oι πιέσεις και οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται στο κέντρο του, δεν επαρκούν προκειμένου να αρχίσουν οι πυρηνικές συντήξεις Αυτά δεν ονομάζονται άστρα-Παράδειγμα Δία

Σώματα με μάζα άνω των 60Μη Η πίεση της ακτινοβολίας ξεπερνά την πίεση της ύλης Άρα τα άστρα σε αυτή την κατάσταση δεν μπορούν να σχηματιστούν Δεν μπορούν να υπάρξουν σε κατάσταση ευσταθούς ισορροπίας Άστρα-Αστέρες

Παρατηρησιακά ➢ Σημαντικά στοιχεία αστέρα λαμπρότητα-θερμοκρασία ➢ Σχετικά κοντά άστρα- παράλλαξη ➢ Η γωνία από την οποία φαίνεται από τον αστέρα η μέση απόσταση Γης-Ήλιου ➢ Μικρή απόσταση – Μεγάλη παράλλαξη

Παρατηρησιακά ➢ Φωτομετρία UBV ➢ Λαμπρότητα ➢ Απόλυτο μέγεθος-φαινόμενο μέγεθος αν βρισκόταν στα 3.09x10^17m ➢ Συγκεκριμένες περιοχές μηκών κύματος(UBV) ➢ Συνεχές φάσμα εκπομπής ➢ Φασματικοί τύποι ➢ Διακριτό φάσμα απορρόφησης ➢ Θερμοκρασία ➢ Χημική σύνθεση ➢ Λαμπρότητα ➢ Πίεση ➢ Πιθανή περιστροφή(Doppler) ➢ Τροχιακές ταχύτητες(διπλά άστρα) ➢ Ένταση μαγνητικού πεδίου(Zeeman)

Λόγος εξέλιξης 2 Κύριοι Λόγοι: Χημική εξέλιξη Καύσιμα Αστέρων-Ενέργεια Μάζα αστέρων Ευσταθής ισορροπία

● Θερμοπυρηνικές αντιδράσεις ● Ενέργεια μέσω πυρηνικών αντιδράσεων ● Κυριότερη αντίδραση: 4xH >He ● 4xH >He σύντηξη υδρογόνου σε ήλιο ● Αριστερό μέλος 4m p ήλιο 3,97m p ● Έλλειμμα μάζας---->Ενέργεια Εξέλιξη άστρου Χημική Εξέλιξη

● Η χημική εξέλιξη εξαρτάται από τη μάζα ● Μετά την καύση του υδρογόνου ακολουθεί η καύση του ηλίου ● Έπειτα το ήλιο μετατρέπεται σε βηρύλλιο και άνθρακα ● Αργότερα έχουμε οξυγόνο και άλλα βαρύτερα στοιχεία μέχρι τον σίδηρο Χημική Εξέλιξη

Μάζα Βασικό στοιχείο για την εξέλιξη Τα άστρα προσπαθούν να υπερνικήσουν την βαρύτητα για να μην καταρρεύσουν Εξισορρόπηση πίεση ακτινοβολίας με την πίεση ύλης Πραγματικός λόγος χημικών αντιδράσεων

Το διάγραμμα Hertzsprung-Russell ή H-R

Τo διάγραμμα Hertzsprung-Russell ή H-R ➔ Διάρκεια καύσης υδρογόνου-->Κύρια Ακολουθία ➔ Κατάσταση αυξημένης σταθερότητας που εξαρτάται από τη μάζα του αστέρα ➔ Εξισορρόπηση πιέσεων ➔ Διάγραμμα: ➔ Οριζόντιος άξονας η θερμοκρασία ➔ Κάθετος άξονας η λαμπρότητα

➔ Θέση του αστέρα στο διάγραμμα καθορίζεται από τη μάζα ➔ Τρεις σημαντικοί σχηματισμοί αστεριών ➔ Όλα τα αστέρια περιέχονται σε μια από τις τρεις κατηγορίες Διάγραμμα-Αστέρες

✔ Η μάζα λοιπόν καθορίζει σε ένα αστέρα: ✔ Την εμφάνιση του ✔ Πόσα χρόνια θα ζήσει ✔ Ποια θα είναι η γεροντική του ηλικία ✔ Πώς θα πεθάνει

Όταν εξαντληθούν τα καύσιμα πρέπει να προσαρμοστεί στη νέα κατάσταση Εξάντληση υδρογόνου Το ήλιο συστέλλεται και θερμαίνεται Ανάφλεξη υδρογόνου σε φλοιό Συνεχής εναπόθεση ηλίου που αυξάνει την βαρύτητα η οποία συμπιέζει και θερμαίνει το φλοιό Εξέλιξη αστέρων μικρής μάζας

Λαμπρότητα αμετάβλητη Η διαστολή εξισορροπεί την μείωση της θερμοκρασίας Αστέρας γίνεται ερυθρός λόγω χαμηλής θερμοκρασίας-Υπογίγαντας Η θερμοκρασία φτάνει στο όριο που η φωτόσφαιρα γίνεται διαφανής Η ακτίνα μεγαλώνει-Θερμοκρασία σταθεροποιείται

Ο αστέρας εξελίσσεται σε ερυθρό γίγαντα Ο πυρήνας ηλίου συστέλλεται μέχρι να γίνει τελείως εκφυλισμένος(λευκός νάνος) Αστέρας άνθρακα-Αντίδραση τριών άλφα Ανεξέλεγκτη καύση ηλίου-Έκλαμψη ηλίου-Ερυθρός Γίγαντας Όταν η θερμοκρασία ανέβει αρκετά το αέριο παύει να είναι εκφυλισμένος και διαστέλλεται Καύσεις εξασθενούν,λαμπρότητα και ακτίνα μικραίνουν

Ερυθρός Γίγαντας ● Το υδρογόνο στον πυρήνα τελικά εξαντλείται ● Θερμός,μικρός και πυκνός πυρήνας ● Τα υπερκείμενα στρώματα υδρογόνου θερμαίνονται,διαστέλλοντα ι και ψύχονται ● Υπεργίγαντας ● Χαμηλές πιέσεις-οξύτερες φασματικές γραμμές

Καύσεις σε πυρήνα και φλοιό Οριζόντιος κλάδος Λαμπρότητα αναλλοίωτη αλλά η θερμοκρασία αυξάνεται Ενδεχομένως συμβαίνουν απώλειες μάζες Εξαντλείται το ήλιο στον πυρήνα και αναφλέγεται σε φλοιό-Καύση διπλού φλοιού Ανεξέλεγκτη λάμψη ηλίου ξανά- διογκώνει το περίβλημα(πυρήνας λευκός νάνος)

Ασυμπτωτικός κλάδος γιγάντων Στο τέλος της εξέλιξης ο αστέρας είναι υπεργίγαντας Υπεργίγαντας

Εξέλιξη αστέρων μεγάλης μάζας Συντομότερη εξέλιξη σε σχέση με αυτούς μικρής μάζας Αρκετά μεγάλη μάζα για να συνεχιστεί η αλυσίδα των καύσεων Παραγωγή σιδήρου-Ενδόθερμη αντίδραση- Τερματισμός αλυσίδας Αστέρας με μορφή κρεμμυδιού:Με πυρήνα σιδήρου μετά ένας φλοιός θείου,ένας φλοιός οξυγόνου μετά νέου μετά ηλίου και τέλος υδρογόνου

Το ήλιο αναφλέγεται πριν εκφυλιστεί ο πυρήνας-Δεν έχουμε έκλαμψη ηλίου Στο τέλος της εξέλιξης ο σίδηρος θα διασπαστεί σε ήλιο Το ήλιο σε πρωτόνια και νετρόνια Τα πρωτόνια με τα ηλεκτρόνια θα δώσουν νετρόνια Ο πυρήνας θα δώσει είτε αστέρα νετρονίων είτε μαύρη τρύπα

Λευκοί Νάνοι Τυπική μάζα αυτή μιας ηλιακής Διαστάσεις αυτές περίπου της γης Πολύ συμπαγής και πυκνός Να θυμίσουμε ότι: Τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται ως φερμιόνια και ισχύει η αρχή του Pauli Επίσης Αρχή του Heisenberg δηλαδή η αδυναμία ταυτόχρονου προσδιορισμού της θέσης και της ορμής

Πίεση εκφυλισμού των ηλεκτρονίων(κβαντικό φαινόμενο)-Τυχαία κίνηση Μεγάλες πυκνότητες-Μικρές αποστάσεις-Μεγάλο Δp x – Μεγάλες ταχύτητες Πιέσεις λόγω εκφυλισμού εξισορροπούν τους λευκούς νάνους υπερνικώντας την βαρύτητα Ανεξάρτητη της θερμοκρασίας πίεση εξάρτηση από την πυκνότητα Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του τόσο μικρότερη είναι η ακτίνα

➢ Ακτινοβολία λόγω μεγάλων εσωτερικών θερμοκρασιών ➢ Κρυσταλλική—μεταλλική δομή ➢ Πλατιές φασματικές γραμμές ➢ Οριακή μάζα Chandrasekhar--> μηδενική ακτίνα ➢ Μch=1,4 Μη

Αστέρες Νετρονίων ➔ Μεγαλύτερες μάζας- Μικρότερες ακτίνες ➔ Τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με τα πρωτόνια και δίνουν νετρόνια ➔ Ύλη αποκλειστικά από νετρόνια ➔ Τα νετρόνια λειτουργούν ως τέλειο αέριο φερμιονίων ➔ Δεν είναι μεγαλύτερος από μια μεγάλη πόλη

➔ Πυκνότητα ίση με αυτή του νετρονίου ➔ Λίγο μεγαλύτερο από ένα βουνό-μάζα όση αυτή του ήλιου ➔ Εκτίμηση έντασης βαρύτητας μέσω της ταχύτητας διαφυγής ➔ Κάτι παραπάνω από το μισό της c ➔ Αποτελείτε από εξωτερικούς φλοιούς από βαρείς κυρίως πυρήνες και ηλεκτρόνια ➔ Ίσως αρκετά πυκνό για να σχηματιστεί υπερρευστό ➔ Όρια αστέρων 3Μη

Pulsars ➢ Ύπαρξη στο φυσικό σύμπαν των αστέρων νετρονίων ➢ Μαγνητισμένοι αστέρες νετρονίων που περιστρέφονται γύρω από τον άξονα τους ➢ Εκπέμπει μια περιστρεφόμενη δέσμη φωτονίων ➢ Κάποιος στο δρόμο της θα παρατηρήσει μια σειρά παλμών σε κανονικά διαστήματα Crab Pulsar "On" Crab Pulsar "Off"

● Η μελανή οπή είναι ένα αντικείμενο πάρα πολύ πυκνό ώστε το βαρυτικό πεδίο είναι τόσο ισχυρό που δεν μπορεί να διαφύγει ούτε το φως. ● Πρόκειται για ένα αστρικό "πτώμα", υπέρπυκνο αντικείμενο που προβλέπεται απο τη Γενική θεωρία της σχετικότητα Μελανές οπές

● Αστρική κατάρρευση: ● Η μάζα που απομένει ξεπερνάει τις 3,5 ηλιακές μάζες ● Η πίεση εκφυλισμένων σωματιδίων δεν μπορεί να συγκρατήσει τη βαρυτική κατάρρευση με αποτέλεσμα το αντικείμενο θεωρητικά να συστέλλεται στο διηνεκές ● Όταν η φυσική διάσταση του σώματος γίνει μικρότερη της ακτίνας Schwarzschild που ισούται με 2GM/c^2 - η ταχύτητα διαφυγής εξισώνεται με την ταχύτητα του φωτός με συνέπεια τίποτα να μην μπορεί να διαφύγει από το αντικείμενο-βάση την κλασική φυσική. ● Στη σχετικιστική περιγραφή αυτό που συμβαίνει είναι ότι ο χώρος στρεβλώνεται σε τέτοιο βαθμό με αποτέλεσμα η μετατόπιση προς το ερυθρό να απειρίζεται και κανένα φωτόνιο να μη μπορεί να διαφύγει.

➢ Ιδιαίτερα Χαρακτηριστικά ➢ Με την γνώση των παραπάνω τριών προσδιορίζεται πλήρως η συμπεριφορά της ➢ Μάζα ➢ Στροφορμή ➢ Ηλεκτρικό Φορτίο

Είδη μελανών οπών Μελανή Οπή Schwarzschild: Η απλούστερη λύση της Γενικής Σχετικότητας. Περιβάλλεται από βαρυτικό πεδίο (έχει μάζα). Δεν περιβάλλεται από ηλεκτρικό πεδίο (δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο). Δεν περιστρέφεται (δεν έχει στροφορμή Μελανή Οπή Reissner-Nordstrom : Περιβάλλεται από Βαρυτικό Πεδίο (έχει μάζα). Περιβάλλεται από Ηλεκτρικό Πεδίο (έχει ηλεκτρικό φορτίο). Δεν περιστρέφεται (δεν έχει στροφορμή).

Μελανή Οπή Kerr : Περιβάλλεται από Βαρυτικό Πεδίο (έχει μάζα). Δεν περιβάλλεται από Ηλεκτρικό Πεδίο (δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο). Περιστρέφεται (έχει στροφορμή). Μελανή Οπή Kerr-Neumann : Περιβάλλεται από Βαρυτικό Πεδίο (έχει μάζα). Περιβάλλεται από Ηλεκτρικό Πεδίο (έχει ηλεκτρικό φορτίο). Περιστρέφεται (έχει στροφορμή)

Χωροχρονικές επιδράσεις Κοντά στον ορίζοντα της μελανής οπής ο χρόνος κυλά βραδύτερα. Ο χώρος διαστέλλεται. Οι φωτεινές ακτίνες μετατοπίζονται προς το ερυθρό. Εμφάνιση έντονων παλιρροιακών δυνάμεων.

Ακτινοβολία Hawking ➔ Συνδυασμός κβαντομηχανικής,θερμοδυν αμικής και σχετικότητας ➔ Συνεχής δημιουργία- εξαύλωση σωματιδίου- αντισωματιδίου ➔ Κοντά στον ορίζοντα το ένα απορροφάται από την μελανή οπή το άλλο όχι

Βιβλιογραφία Σημειώσεις Αστροφυσικής και Κοσμολογίας- Γ.Κουτσούμπας Αστροφυσική,Δομή και εξέλιξη του σύμπαντος-F.H Shu