غول‌ها و ابرغول‌ها؛ ستارگان بزرگ

اگر در شب به آسمان و ستارگان نگاه کنید، نقاطی کوچک و گاهی کم‌نور می‌بینید که حتی از درون تلسکوپ هم بزرگ‌تر از یک نقطه نیستند. اما واقعیت این است که بسیاری از ستارگان از خورشید ما بسیار بزرگ‌تر هستند. بعضی از آن‌ها آن‌قدر بزرگ‌اند که اگر جای خورشید قرار بگیرند، تا مدار مشتری را هم در بر می‌گیرند!

این ستارگان، غول و ابرغول نام دارند. اغلب آن‌ها در حال اتمام سوخت هیدروژن و هلیم خود هستند و در مراحل پایانی عمرشان به سر می‌برند و به همین دلیل، لایه‌های بیرونی‌شان متورم شده و حجمشان به شدت افزایش یافته است.

در این مقاله، با این ابر ستاره‌های بزرگ، آشنا می‌شویم و ویژگی‌های آن‌ها را بررسی خواهیم کرد.

ساختار ستارگان بزرگ

یک ستاره‌ی غول یا ابرغول نیز مانند خورشید، از لایه‌هایی تشکیل شده است، اما تفاوت هایی اساسی وجود دارد.

هسته (Core)

در مرکز یک غول قرمز، دیگر خبری از همجوشی هیدروژن نیست. هیدروژن هسته عملاً به اتمام رسیده و هسته عمدتاً از هلیم و در ستارگان پرجرم‌تر، از کربن و اکسیژن تشکیل شده است.

در غول‌های معمولی (خورشیدوار)، هسته از هلیم ساخته شده و بسیار چگال و داغ است (۱۰۰ میلیون کلوین). اما هنوز آنقدر داغ نیست که هلیم را به کربن تبدیل کند.

در ابرغول‌ها (ستارگان پرجرم)، هسته ممکن است به مراحل بالاتری از همجوشی رسیده باشد، هلیم به کربن، کربن به نئون، و همین‌طور تا آهن.

پوسته‌ی گداخت (Fusing Shell)

اطراف هسته، یک یا چند لایه‌ی نازک از هیدروژن و گاهی هلیم وجود دارد که هنوز در حال همجوشی است. این پوسته منبع اصلی انرژی غول است. در ابرغول‌ها، ساختار لایه‌ای پیازی شکلی وجود دارد(از بیرون هسته به داخل): لایه هیدروژن، لایه هلیم، لایه کربن… تا هسته‌ی آهنی.

لایه‌ی تابشی و همرفتی (Radiative & Convective Zones)

در غول‌ها، لایه‌ی همرفتی بسیار ضخیم‌تر از ستارگان عادی است. به همین دلیل، مواد از اعماق به سطح منتقل می‌شوند و عناصر سنگین‌تر مثل کربن را به جو می‌آورند. در ابرغول‌ها، لایه‌ی همرفتی تقریباً تمام ستاره را پوشش می‌دهد و خبری از ناحیه‌ی تابشی نیست.

پوسته و جو (Envelope & Atmosphere)

بیرونی‌ترین لایه‌ی غول‌ها و ابرغول‌ها، عظیم‌ترین بخش آنهاست.

این لایه بسیار منبسط و رقیق است. چگالی آن آنقدر کم است که اگر یک غول قرمز را در مرکز منظومه‌ی شمسی قرار دهید، سیارات در لایه‌های بیرونی آن حرکت می‌کنند و نابود نمی‌شوند! دمای سطح آن نسبتاً پایین است (۳,۰۰۰ تا ۵,۰۰۰ کلوین برای غول‌های قرمز). به همین دلیل رنگ آنها قرمز یا نارنجی به نظر می‌رسد. در ابرغول‌های آبی، دمای سطح بسیار بالاست (۲۰,۰۰۰ تا ۵۰,۰۰۰ کلوین) و رنگ آنها آبی است.

از آبی داغ تا قرمز سرد

غول‌ها و ابرغول‌ها فقط قرمز نیستند. رنگ آنها به دمای سطحشان بستگی دارد، درست مانند سایر ستارگان.

طبق قانون ویِن هر چه دما پایین‌تر باشد، نور به سمت قرمز متمایل می‌شود. و هر چه دما بالاتر باشد، نور به سمت آبی متمایل می‌شود.

ابرغول‌های قرمز با وجود حجم عظیم، دمای سطح پایینی دارند. ابرغول‌های آبی اما هم داغ‌اند و هم درخشان. عمر ابرغول‌های آبی کوتاه‌تر از ابرغول‌های قرمز است.

بزرگان در نمودار H-R

در نمودار H-R، ستارگان بر اساس دو ویژگی دما (یا رنگ) و درخشندگی در جای می‌گیرند.

• غول‌ها در قسمت بالا-راست نمودار H-R قرار دارند. آنها دمای نسبتاً پایینی دارند (رنگ نارنجی تا قرمز) اما چون سطح بسیار بزرگی دارند، درخشندگی بالایی دارند.
  
• ابرغول‌ها در بخش فوقانی نمودار (از چپ تا راست) و بالاتر از غول‌ها پراکنده هستند. ابرغول‌های آبی در بالا-چپ (داغ و پرنور) و ابرغول‌های قرمز در بالا-راست (سرد و پرنور) جای می‌گیرند.

این نمودار نشان می‌دهد که غول‌ها و ابرغول‌ها در مرحله‌ای از تکامل قرار دارند که از رشته‌ی اصلی خارج شده‌اند.

تبدیل خورشید به غول قرمز

خورشید در حال حاضر یک ستاره‌ی آرام در رشته‌ی اصلی است. اما حدود ۵ میلیارد سال دیگر، سوخت هیدروژن هسته‌ی خورشید به اتمام می‌رسد و وارد مرحله‌ی غول قرمز می‌شود.

وقتی هیدروژن هسته تمام می‌شود، دو اتفاق رخ می‌دهد:

1. هسته منقبض می‌شود:
   
   بدون انرژی حاصل از همجوشی که ستاره را از فروریزش و کوچک شدن حفظ می‌کرد، گرانش برنده می‌شود و هسته‌ی هلیمی شروع به فشرده شدن می‌کند. دما به شدت افزایش می‌یابد و به بیش از ۱۰۰ میلیون کلوین می‌رسد.
   
2. لایه‌های بیرونی منبسط می‌شوند:
   
   گرمای ناشی از انقباض هسته، لایه‌های بیرونی را داغ می‌کند و آنها شروع به انبساط می‌کنند. حجم خورشید صدها برابر می‌شود.

سرنوشت زمین

در این مرحله، خورشید چنان بزرگ می‌شود که احتمالاً مدار زمین را در بر می‌گیرد. سه حالت برای زمین وجود دارد:

• بلعیده شدن:
  
  اگر خورشید به اندازه‌ی کافی بزرگ شود، زمین درون لایه‌های بیرونی آن فرو می‌رود و بخار می‌شود.
  
• پرتاب به بیرون:
  
  کاهش جرم خورشید (به دلیل بادهای ستاره‌ای شدید) ممکن است زمین را به بیرون پرتاب کند و زمین از نابودی فرار کند. اما سطح زمین آنقدر داغ می‌شود که اقیانوس‌ها تبخیر می‌شوند و زندگی غیرممکن می‌گردد.
  
• لبه‌ی مرگ:
  
  برخی مدل‌ها پیشنهاد می‌کنند که زمین ممکن است در لبه‌ی غول قرمز زنده بماند اما به سنگی سوخته تبدیل شود.

مراحل بعدی

پس از مرحله‌ی غول قرمز، خورشید لایه‌های بیرونی خود را به فضا پرتاب می‌کند و یک سحابی سیاره‌نما (Planetary Nebula) تشکیل می‌دهد. هسته‌ی باقی‌مانده همان کوتوله‌ی سفید است که جرمی به اندازه‌ی زمین خواهد داشت.

سیارات اطراف غول‌ها

اگر ستاره‌ای به غول قرمز تبدیل شود، آیا سیارات اطراف آن هنوز می‌توانند میزبان حیات باشند؟ در یک کلام، بعید است، اما غیرممکن نیست.

چالش‌های اصلی برای حیات

امکانات حیات

• قمرهای سیارات غول‌پیکر: اگر یک سیاره‌ی غول‌گازی مثل مشتری در مدار دورتر زنده بماند، قمرهای آن ممکن است به مناطق قابل سکونت بدل شوند و شرایط مناسبی برای حیات پیدا کنند.
  
• سیارات ثانویه: برخی مدل‌ها نشان می‌دهند که مواد پرتاب شده از ستاره در مرحله‌ی سحابی سیاره‌نما می‌تواند سیارات جدیدی در مدارهای دور تشکیل دهد.
  
• زندگی در جو: اگر اتمسفر یک سیاره چنان ضخیم باشد که بتواند از تشعشعات و بادها محافظت کند، ممکن است اشکال حیات مقاوم در لایه‌های بالایی جو باقی بمانند.

نمونه‌های واقعی

اخترشناسان چندین سیاره‌ی فراخورشیدی کشف کرده‌اند که به دور ستارگان غول قرمز می‌چرخند.

درنتیجه زندگی در آن شرایط دشوار است، اما ناممکن نیست. متاسفانه زمین خودمان چنین شانسی ندارد. ما حدود ۵ میلیارد سال فرصت داریم تا راهی برای خروج از منظومه و سکون در منظومه‌ای دیگر پیدا کنیم یا منقرض شویم.

ابرغول‌ها؛ بزرگان بی‌رقیب

اگر غول‌ها بزرگ هستند، ابرغول‌ها (Supergiants) عظیم‌ترین ستارگان جهان هستند. این غول‌های واقعی آنقدر بزرگ‌اند که اگر یکی از آنها را جایگزین خورشید در مرکز منظومه شمسی کنید، مدار مشتری را هم در بر می‌گیرند!

انواع ابرغول‌ها

ابرغول‌ها بر اساس دمای سطحشان به دو دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند:

ابرغول‌های قرمز با وجود حجم بسیار بزرگتر، جرم بسیار کمتری نسبت به ابرغول‌های آبی دارند! آنها بسیار پوک و کم‌چگال‌اند.

ابط الجوزا (Betelgeuse)؛ ابرغول سرخ شکارچی

ابط الجوزا در شانه‌ی صورت فلکی شکارچی (Orion) یکی از معروف‌ترین ابرغول‌های قرمز است.

رفتار عجیب ابط الجوزا (۲۰۲۰-۲۰۲۶)

در اواخر ۲۰۱۹ و اوایل ۲۰۲۰، ابط الجوزا به طور بی‌سابقه‌ای کم‌نور شد و حدود ۴۰٪ کاهش درخشندگی را ثبت کرد. برخی محققان فکر کردند شاید در آستانه‌ی انفجار ابرنواختری است.

تحقیقات جدید (۲۰۲۵-۲۰۲۶) با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل نشان داد که این کاهش نور ناشی از پرتاب یک ابر عظیم از غبار داغ از سطح ستاره بود. جرم این ابر حدود ۴۰۰,۰۰۰ برابر جرم زمین تخمین زده شده است! طی چند ماه، این ابر در فضا پخش شد و ستاره دوباره به درخشندگی عادی خود بازگشت.

اخیراً شواهدی از وجود یک ستار‌ه‌ی همدم برای ابط‌الجوزا یافت شده است که می‌توانید «اینجا» بخوانید. این پرتاب جرم بزرگ از سطح این ستاره نیز تقویت کننده‌ی احتمال وجود یک سامانه‌ی دوتایی و برهمکنش‌های گرانشی بین آن‌ها است. پس از این پرتاب جرم، شواهدی از ایجاد یک هاله از جرم در اطراف ابط‌الجوزا پیدا شد.

رجل الجبار (Rigel)؛ ابرغول آبی شکارچی

رجل الجبار در پای صورت فلکی شکارچی، درخشان‌ترین ستاره‌ی این صورت فلکی است (قدر ظاهری ۰.۱۳).

رجل الجبار یک سامانه‌ی سه‌تایی است. این ستاره بسیار داغ و درخشان است و همواره به فضا ماده پرتاب می‌کند. اما در حال حاضر نشانه‌ی خاصی از فروپاشی نشان نمی‌دهد و این پرتاب جرم می‌تواند ناشی از برهمکنش سیستمی باشد.

سرنوشت ابرغول‌ها؛ انفجار روشن، یا فروریزش تاریک!

هر دو نوع ابرغول، چه آبی و چه قرمز در نهایت به ابرنواختر تبدیل می‌شوند. اما مسیر آنها متفاوت است:

پس از انفجار ابرنواختری، باقیمانده می‌تواند یک ستاره‌ی نوترونی یا یک سیاه‌چاله باشد.(بسته به جرم اولیه‌ی ستاره)

چرخه‌ی آبی-قرمز؛ تقلای ابرغول‌ها برای زنده ماندن

ابرغول‌های بسیار پرجرم (با جرم اولیه‌ی بیش از ۲۰-۲۵ برابر جرم خورشید) مسیر ساده‌ای ندارند. آنها نه به صورت مستقیم به ابرغول قرمز تبدیل می‌شوند و نه مستقیماً منفجر می‌شوند. در عوض، یک انتقال رنگی – دمایی بین فاز آبی و قرمز را تجربه می‌کنند.

چرا این چرخه رخ می‌دهد؟

دلیل اصلی این نوسانات، حساسیت شدید جو ابرغول به تغییرات جزئی در هسته و پوسته‌های همجوشی است.

این نوسانات ممکن است چندین بار تکرار شود، تا زمانی که ستاره به هسته‌ی آهنی برسد، منجمد شود و عملاً دیگر نتواند انرژی تولید کند. در آن لحظه، فرقی نمی‌کند در فاز آبی باشد یا قرمز، فروپاشی و انفجار ابرنواختری اجتناب‌ناپذیر است.

نمونه‌های معروف

اهمیت چرخه‌ی آبی – قرمز

درک این چرخه برای اخترشناسان مهم است زیرا بر اساس آن می‌توان زمان انفجار ابرنواختری ستاره را پیش‌بینی کرد، بافت طیف سنجی ستاره از نوع ابرنواختر احتمالی(II-P، II-L، Ia) خبر می‌دهد و همچنین بر این اساس می‌توان تخمین زد که ستاره به سیاه‌چاله تبدیل خواهد شد یا یک ستاره‌ی نوترونی

ابط الجوزا؛ قرمز مرموز و خاص!

ابط الجوزا در حال حاضر یک ابرغول قرمز است،این ستاره خیلی خاص است و ویژگی‌های بسیاری دارد! اما برخی شواهد نشان می‌دهند ممکن است در حال گذار به فاز آبی باشد. اگر این‌طور باشد، شاید قرن‌ها یا هزاره‌ها طول بکشد تا به آن فاز برسد. یا شاید در همین فاز قرمز منفجر شود؛ هیچ کس نمی‌داند. اصولاً انسان هیچ چیز نمی‌داند و تا وقتی به دانایی نرسد این را نمی‌فهمد.

آنچه مسلم است این است که وقتی ابط الجوزا منفجر شود، انفجار آن به اندازه‌ی روشنایی ماه کامل در آسمان شب خواهد بود و ماه‌ها قابل مشاهده می‌گردد، حتی در روز! آن موقع است که باید به کاپای ذات الکرسی دوم سلام کنیم!

نتیجه

دیدیم که ستارگانی مانند خورشید، روزی به غول قرمز تبدیل خواهند شد. چنان بزرگ که زمین را خواهد بلعید. و دیدیم که ابرغول‌هایی مانند ابط الجوزا و رجل الجبار چنان عظیم‌اند که اگر جای خورشید بنشینند، به مشتری هم رحم نخواهند کرد.

اما این بزرگی، نه نشانه‌ی قدرت، که درواقع پرده‌ی آخر نمایش ستارگان است.

گاهی هم آن‌ها مثل یک پیچ هرز شده، آن‌قدر سرد و گرم می‌شوند تا در نهایت بشکنند و چنان ساختار‌های ابری زیبایی تشکیل دهند که میلیون‌ها سال بعد، ما آن‌ها را سحابی بنامیم، و آنچه پس از این انفجار می‌ماند، یک ستاره‌ی نوترونی به اندازه یک شهر، با چگالی وحشتناک، یا یک سیاه‌چاله با چگالی وحشتناک تر است که حتی نور هم نمی‌تواند از چنگالش بگریزد.

شاید عجیب به نظر برسد، اما همه چیز در جهان به هم مرتبط است. (این را تأییدی بر نظریه‌ی وحدت بزرگ تلقی نکنید! حداقل در این مقاله)

عناصر سنگینی که بدن ما را ساخته‌اند، (کربن، اکسیژن، آهن) در قلب همین غول‌ها ساخته شده‌اند. ما واقعاً غبار ستاره هستیم. و خورشید نیز روزی به غول قرمز تبدیل خواهد شد و این عناصر را خواهد ساخت، و پس از مرگ او، این عناصر برای همیشه در کهکشان باقی خواهند ماند، باشد که حیاتی دیگر از آن‌ها شکل بگیرد.

زمین هنوز نفس می‌کشد. خورشید هنوز آرام است. اما به این فکر کنید که شاید همیشه قرار نیست کیهان با ما مهربان باشد…

منابع:
Space.com – اطلاعات تکمیلی
ESO – داده‌های عددی
مقدمه‌ای بر اخترفیزیک نوین – بردلی کارول