Αστέρες – Αστρικά Συστήματα ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ  ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ  Α2  ΤΟΥ  Δ.Ε.Π.

Προαπαιτούμενα και στόχος του μαθήματος

Το μάθημα αυτό (Α2) δεν έχει προαπαιτούμενα. Δεν απαιτείται ούτε γνώση μαθηματικών (όποιους τύπους συναντήσουμε θα τους εξηγήσουμε στην πορεία), ούτε γνώση του μαθήματος Α1, που αφορά στο πλανητικό-μας σύστημα. (Το τμήμα περί δημιουργίας αστέρων και πλανητικών συστημάτων είναι κοινό για τα Α1 & Α2.) Το παρόν μάθημα περιγράφει τί είναι τα αστέρια, πού βρίσκονται, πώς δημιουργούνται και καταστρέφονται, τί είδους δομές σχηματίζουν, και πώς διανέμονται αυτές οι δομές μέσα σε γαλαξίες. Το δεύτερο μέρος του μαθήματος εξετάζει τους γαλαξίες, τα είδη-τους, τις ιδιότητές τους, και την κατανομή-τους στο σύμπαν. Επειδή προϋποθέτει μηδενική γνώση αστρονομίας, ο αναγνώστης που έχει ήδη κάποια γνώση επί του αντικειμένου ίσως βρει πιο χρήσιμο να προσπεράσει όσα του φαίνονται ήδη γνωστά.

Τί είναι τα αστέρια και πού βρίσκονται

Η ερώτηση «Ποιο είναι το αστέρι που είναι πιο κοντά στη Γη;» ίσως είναι από εκείνες που λέμε “ερώτηση-παγίδα”· γιατί η απάντηση είναι πασίγνωστη σε όλους-μας, και φαίνεται στην παρακάτω εικόνα:

Ο Ήλιος, το πιο κοντινό αστέρι στη Γη

Ο Ήλιος λοιπόν είναι το κοντινότερο και πιο οικείο-μας αστέρι: ένα αστέρι “μεγαλούτσικο” (τουλάχιστο σε σχέση με την πλειοψηφία των αστέρων που υπάρχουν γενικά, αν και όχι από τα μεγαλύτερα), ούτε πολύ θερμό ούτε πολύ ψυχρό (όσο “ψυχρή” βέβαια μπορεί να είναι μια πυρακτωμένη σφαίρα), γιαυτό και κιτρινωπό στο χρώμα (αν και το χρώμα-του δεν το αντιλαμβανόμαστε σωστά με το μάτι και μέσα από τη γήινη ατμόσφαιρα· το «γιαυτό», δηλαδή το πώς προκύπτει το χρώμα του αστέρα από τη θερμοκρασία-του θα το μάθουμε στο παρόν μάθημα). Είναι ένα “ήρεμο” αστέρι: δεν έχει ξαφνικές εκλάμψεις, ούτε αυξομειώνεται σε μέγεθος. (Άλλωστε αν συμπεριφερόταν έτσι, δεν θα υπήρχαμε.) Είναι επίσης μοναχικός, δηλαδή δεν έχει “συνοδό” αστέρα, βαρυτικά “δεμένο” μαζί-του. Είναι μέσης ηλικίας: έχει ήδη “ζήσει” 5 δισεκατομμύρια χρόνια (σχεδόν μαζί με τη Γη και τους άλλους πλανήτες-του), και αναμένεται να ζήσει περίπου άλλο τόσο.

Όλα τα παραπάνω μπορούν να διαφέρουν στα διάφορα άλλα άστρα. Υπάρχουν αστέρες τόσο μικροί, που είναι μικρότεροι από τη Γη. (Για να καταλάβουμε πόσο μικρή είναι η Γη: αν ο Ήλιος ήταν σαν ένα μεγάλο πορτοκάλι, η Γη θα ήταν σαν κεφαλάκι καρφίτσας.) Άλλοι αστέρες είναι τόσο μεγάλοι που αν βρίσκονταν στο κέντρο του πλανητικού-μας συστήματος (δηλαδή εκεί που είναι ο Ήλιος), θα “κατάπιναν” μέσα στη μάζα-τους τις τροχιές όχι μόνο της Γης, αλλά και του Άρη, ή ακόμα και του Δία. Υπάρχουν αστέρια ψυχρά και ερυθρά, με θερμοκρασία που φτάνει τους “μόλις” 3.000 βαθμούς Κελσίου στην επιφάνειά τους (ενώ του Ήλιου είναι 5.500°C), και αστέρια πολύ θερμά και γαλάζια ή βιολετί, με θερμοκρασίες όπως 25.000°C, και εκατοντάδες χιλιάδες φορές πιο λαμπρά από τον Ήλιο. Κάποια αστέρια είναι “βίαια” ή “ανώμαλα”, κάνοντας αυξομειώσεις στη λαμπρότητα και στο μέγεθός τους. Άλλα είναι μέλη ζεύγους, ή τριών, ή και περισσότερων αστεριών, που όλα περιφέρονται γύρω από το κοινό κέντρο μάζας-τους. Άλλα αστέρια “καίνε” έντονα το πυρηνικό καύσιμό τους, δηλαδή το υδρογόνο, και ζουν “μόλις” μερικές δεκάδες εκατομμύρια χρόνια (ενώ όπως είπαμε ο Ήλιος αναμένεται να ζήσει άλλα 5 δισεκατομμύρια χρόνια), και άλλα καίνε το υδρογόνο-τους σιγά-σιγά, οπότε θα ζήσουν πάνω από ένα τρισεκατομμύριο χρόνια. Όλα αυτά τα διαφορετικά χαρακτηριστικά και πολλά άλλα θα εξετάσουμε διεξοδικά στο παρόν μάθημα.

Μερικά αστέρια της “γειτονιάς-μας”, με τον Ήλιο αριστερά

Το παραπάνω διάγραμμα δείχνει μερικά από τα αστέρια που βρίσκονται στην “αστρική γειτονιά-μας”. Τα χρώματα είναι εντελώς εικονικά, δηλαδή ο αστέρας δεν θα φαινόταν να έχει τόσο “φυσιολογικό” χρώμα από κοντά, αλλά θα ήταν εκτυφλωτικά λαμπρός· η λάμψη-του όμως θα είχε τη χροιά που δείχνει το διάγραμμα. Τα μεγέθη είναι συγκριτικά σωστά, με τον Ήλιο να φαίνεται πρώτος αριστερά. Όπως βλέπουμε, μερικά αστέρια είναι διπλά (α Κενταύρου, 61^ος Κύκνου, Α Σείριου — το Β του Σείριου δεν μπορεί να φανεί στο διάγραμμα γιατί είναι τόσο μικρό όσο η Γη). Άλλα — τα μεγαλύτερα — έχουν γνωστά ονόματα (π.χ.: “Σείριος”), άλλα — συνήθως μεσαίου μεγέθους — ονομάζονται με ένα γράμμα του ελληνικού αλφαβήτου ακολουθούμενο από το όνομα του αστερισμού στον οποίο βρίσκονται (π.χ.: ε Ηριδανού), και άλλα — τα μικρότερα — έχουν κωδικοποιημένα ονόματα (π.χ.: BD +36° 2147). Και για το πώς ονομάζονται τα αστέρια θα συζητήσουμε αργότερα.

Πού βρίσκονται

Όταν κοιτάμε τον έναστρο ουρανό τη νύχτα, έχουμε την εντύπωση οτι όλα τα αστέρια βρίσκονται στον “ουράνιο θόλο”, μια σφαίρα που μας περιβάλλει. Αυτή την εντύπωση βέβαια είχαν και οι λαοί της αρχαιότητας. Καμιά αρχαία κοσμολογία — ούτε η ελληνική, ούτε η εβραϊκή, ούτε η κινεζική — δεν περιέγραψε τα αστέρια σαν κάτι το διαφορετικό από φώτα τοποθετημένα στον “ουράνιο θόλο”, άρα σε ίσες αποστάσεις από τη Γη. (Μάλιστα μερικές κοσμολογίες, όπως η Ισλαμική του Κορανίου, υπήρξαν τραγικά λάθος, τοποθετώντας τα άστρα εμπρός από τη Σελήνη!) Όμως ο “ουράνιος θόλος” δεν υπάρχει, είναι απλώς μια οπτική απάτη· και τα άστρα βρίσκονται σε οποιεσδήποτε αποστάσεις από τη Γη και τον Ήλιο. Η παρακάτω κινούμενη εικόνα δίνει μια ιδέα.

Στερεογράφημα της αστρικής γειτονιάς-μας

Λίγα λόγια απαιτούνται για να γίνει κατανοητή η εικόνα αυτή. Καταρχήν, η εικόνα είναι ένα στερεογράφημα, που σημαίνει οτι αν τραβήξουμε μια υποθετική κατακόρυφη γραμμή στο μέσον-της, και καταφέρουμε να κάνουμε το αριστερό-μας μάτι να βλέπει το αριστερό μισό της εικόνας, και το δεξί μάτι το δεξί μισό, τότε θα δούμε τα άστρα πραγματικά σε τρεις διαστάσεις, κινούμενα στο χώρο. (Το πώς το πετυχαίνουμε αυτό εξηγείται στις παραδόσεις του μαθήματος.) Αν δεν τη δούμε στερεοσκοπικά, αλλά σαν κοινή εικόνα στη σελίδα, τότε πρέπει να αγνοήσουμε το ένα μισό-της, εφόσον είναι σχεδόν ίδιο με το άλλο μισό. Η εικόνα (δηλ. το ένα μισό-της) δείχνει τον Ήλιο με μια κίτρινη ακίνητη κουκκίδα στο κέντρο (“Sun”). Γύρω-του φαίνονται περιφερόμενα διάφορα άστρα της γειτονιάς-μας, όπως μερικά από αυτά που περιλήφθηκαν στην προηγούμενη εικόνα (ο Σείριος–“Sirius”, ο Προκύων–“Procyon”, το α Κενταύρου–“α Cen”, και το ε Ινδού–“ε Ind”), αλλά και διάφορα άλλα, όπως ο Αλτάιρ (“Altair”) και ο Φομαλώ (“Fomalhaut”).

Φυσικά, η εικόνα αυτή δεν πρέπει να μας δώσει τη λανθασμένη εντύπωση οτι ο Ήλιος βρίσκεται σε κάποιο υποτιθέμενο κέντρο όπου παραμένει ακίνητος, και πως όλα τα άστρα περιφέρονται γύρω-του. Τίποτε τέτοιο δεν συμβαίνει. Η εικόνα αυτή περιφέρει τα άστρα γύρω από τον Ήλιο γιατί έτσι επιτυγχάνεται οπτικά καλύτερη αντίληψη των τριών διαστάσεων στο χώρο. Στην πραγματικότητα τα άστρα κινούνται μεν, αλλά σε διαφορετική διεύθυνση το καθένα, και θα έπρεπε να περάσουν πάνω από μισό εκατομμύριο χρόνια για να αλλάξουν οι θέσεις των άστρων αυτών ώστε το παραπάνω στερεογράφημα να μην απεικονίζει πλέον την πραγματικότητα.

Το στερεογράφημα μας δείχνει οτι τα άστρα είναι τοποθετημένα σε τυχαίες θέσεις στον τριδιάστατο χώρο, σαν τις σταφίδες μέσα σε σταφιδόψωμο, και ο Ήλιος είναι απλώς μία από τις σταφίδες — όχι όμως στο κέντρο, ούτε υπάρχει κάποιο κέντρο στο σταφιδόψωμο. Αν πρέπει να αναζητήσουμε κάποιο κέντρο, αυτό μπορούμε να το βρούμε στο κέντρο του γαλαξία-μας, εξαιρετικά μακριά από τις αποστάσεις των άστρων του στερεογραφήματος.^(*) (Περί γαλαξιών, στο 2^ο μέρος του μαθήματος.)

Ο ουράνιος θόλος λοιπόν δεν υπάρχει. Κοιτώντας τα άστρα τη νύχτα δεν αντιλαμβανόμαστε οτι το καθένα βρίσκεται σε διαφορετική απόσταση από εμάς, γιατί ο τρόπος με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τις αποστάσεις δουλεύει σωστά μόνο στο οικείο-μας, κοντινό περιβάλλον. Την απόσταση, το “βάθος”, το αντιλαμβανόμαστε κυρίως λόγω της διαφορετικής γωνίας υπό την οποία το κάθε μάτι βλέπει το αντικείμενο, όπως και λόγω δευτερευόντων στοιχείων, όπως η σκίαση, η αλληλοεπικάλυψη των αντικειμένων, και η εστίαση του φακού του οφθαλμού. Κανένα όμως από αυτά τα “τεχνάσματα” δεν λειτουργεί για αντικείμενα που βρίσκονται τόσο μακριά όσο τα άστρα (ή και ο Ήλιος, η Σελήνη, και οι πλανήτες). Έτσι, νομίζουμε οτι όλα τα άστρα είναι στην ίδια απόσταση από εμάς, αυτήν την απροσδιόριστη απόσταση που πιστεύουμε οτι σχηματίζει τον “ουράνιο θόλο”.

Το πόσο μακριά — πόσο απίστευτα μακριά — από τον Ήλιο και τη Γη βρίσκονται ακόμα και τα κοντινότερά μας άστρα είναι ένα θέμα που θα συζητηθεί λίγο αργότερα.

Δημιουργία αστέρων

Στο διάστημα μεταξύ των αστέρων υπάρχει διαστρική ύλη, αποτελούμενη κυρίως από υδρογόνο, ελάχιστο ήλιο, και ίχνη μόνο από ποσότητες βαρύτερων στοιχείων. Επειδή η θερμοκρασία είναι εξαιρετικά χαμηλή, της τάξης των –260°C, το υδρογόνο σχηματίζει μόρια H₂, γιαυτό τα νέφη αυτά λέγονται μοριακά νέφη (αγγλ.: molecular clouds).

Μοριακά νέφη στον αστερισμό του Αετού, γνωστά ως “Στήλες της Δημιουργίας”, όπου κυοφορούνται αστέρια

Όταν, είτε τυχαία, είτε λόγω εξωτερικών παραγόντων (π.χ., έκρηξη κοντινού σουπερνόβα), η πυκνότητα της ύλης μέσα στο μοριακό νέφος ξεπεράσει ένα όριο που λέγεται μάζα του Jeans, τότε η βαρύτητα υπερισχύει της κινητικής ενέργειας που κρατάει τα μόρια της ύλης μακριά το ένα από το άλλο. Η ύλη κατακρημνίζεται κάτω από το ίδιο-της το βάρος, συγκεντρωνόμενη σε ορισμένα (τυχαία) σημεία. Κάθε τέτοιο σημείο, αν η εκεί συγκεντρωνόμενη ύλη είναι αρκετή, πρόκειται να αποτελέσει σε λίγα εκατομμύρια χρόνια αστέρι με πλανητικό σύστημα· αν η ύλη δεν είναι αρκετή μπορεί να αποτελέσει “φαιό νάνο” (κάτι μεταξύ αστέρα και πλανήτη)· ή ακόμα και απομονωμένο πλανήτη. Όταν πρόκειται για πλανητικό σύστημα, οι πλανήτες σχηματίζονται σχεδόν ταυτόχρονα με τον αστέρα του συστήματος — τον Ήλιο στη δική-μας περίπτωση.

Οι αστέρες συνήθως δημιουργούνται όχι μοναχικοί, αλλά κατά σμήνη. Και ο δικός-μας Ήλιος όταν πρωτοδημιουργήθηκε, περίπου 5 δισεκατομμύρια έτη πριν, βρισκόταν σε σμήνος· αλλά με την πάροδο των δισεκατομμυρίων ετών τα μέλη του σμήνους σκόρπισαν, και τώρα τα βλέπουμε σαν μοναχικά άστρα: ο Ήλιος, ο Σείριος, ο Προκύων, ο Ρίγκελ του Κενταύρου, και αρκετά άλλα αστέρια της γαλαξιακής “γειτονιάς-μας”.

Διαστρική σκόνη στο νεφέλωμα “ήτα Carina”. Η σκόνη κατακρημνίζεται λόγω της βαρύτητας, και συσσωρεύεται σε μερικά σημεία. Στα σημεία αυτά σχηματίζονται αστέρες. Από τους σχηματιζόμενους αστέρες στο εσωτερικό του νεφελώματος προέρχεται το φως της εικόνας.	Το ανοιχτό αστρικό σμήνος “Πλειάδες” (ή Μ45, ή “Πούλια”). Οι αστέρες αυτοί δημιουργήθηκαν πριν από ~100 εκ. έτη, και η διαστρική σκόνη από την οποία γεννήθηκαν σκόρπισε, αλλά φαίνεται ακόμα λίγη γύρω-τους. (Το μπλε χρώμα του φωτός οφείλεται στο νεαρό της ηλικίας των αστέρων.)	Ο δικός-μας Ήλιος μοιάζει σήμερα μοναχικός. Όταν όμως πρωτοεμφανίστηκε ήταν ένα από τα αστέρια του σμήνους-του, που ίσως έμοιαζε τότε με την εικόνα στο κέντρο (“Πούλια”). Τώρα τα “αδέρφια” του Ήλιου, όπως οι Σείριος, Προκύων, α Κενταύρου, κλπ., μοιάζουν κι αυτά μοναχικά.

Ο αστέρας δημιουργείται στο κέντρο της συσσωρευμένης διαστρικής σκόνης, η οποία ενώ κατακρημνίζεται τίθεται σε περιστροφική κίνηση, όπως το μαζεμένο νερό του νιπτήρα όταν ανοίξουμε το σιφώνιο. Δημιουργείται δηλαδή μία δίνη, και η περιστροφική κίνηση αυτής της δίνης είναι αυτό που τελικά εξελίσσεται σε πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από τον αστέρα. Έτσι, οι πλανήτες είναι κι αυτοί τοπικές συσσωρεύσεις ύλης (τοπικές δίνες) στο μη κεντρικό σημείο της δίνης, και δημιουργούνται από τον ίδιο μηχανισμό που δημιουργεί και τον αστέρα: τη δύναμη της βαρύτητας. Η διαφορά είναι οτι στους πλανήτες δεν υπάρχει αρκετή ποσότητα ύλης ώστε ν’ αρχίσουν οι πυρηνικές αντιδράσεις, που κάνουν τον αστέρα να λάμπει. Οι πλανήτες συνεχίζουν να μαζεύουν την ύλη από γύρω-τους (ή μάλλον η ύλη μαζεύεται σ’ αυτούς), καθαρίζοντας σιγά-σιγά την περιοχή-τους, σε διάστημα εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών. Αυτό το “καθάρισμα” όμως έχει τις συνέπειές του: στο στάδιο εκείνο, ο σχηματιζόμενος πλανήτης δέχεται πληθώρα βράχων, μετεωριτών, και σκόνης από τη γύρω περιοχή. Όποτε τα κομμάτια της ύλης προσκρούουν στον πλανήτη αυξάνουν τη θερμοκρασία-του, γιατί κάθε πρόσκρουση είναι και μια έκρηξη. Έτσι, αρχικά ο πλανήτης είναι πολύ θερμός — σχεδόν ρευστός. (Το ίδιο συνέβη και στη Γη, πριν από 4,5 έως 4 δισεκατομμύρια έτη.^(*)) Σιγά-σιγά όμως, η γειτονιά του πλανήτη “καθαρίζει” από την ύλη που τον περιβάλλει, εφόσον η ύλη συγκεντρώνεται στον πλανήτη, αλλά και στους δορυφόρους-του. Οι πτώσεις μετεωριτών στον πλανήτη αραιώνουν, και ο πλανήτης κρυώνει, σχηματίζοντας κρούστα από στερεό φλοιό αν είναι αρκετά μικρός, όπως οι πλανήτες Ερμής, Αφροδίτη, Γη, και Άρης, στο δικό-μας πλανητικό σύστημα· ενώ αν ο πλανήτης είναι αρκετά μεγάλος παραμένει σε αεριώδη μορφή, όπως οι πλανήτες Δίας, Κρόνος, Ουρανός, και Ποσειδώνας στο σύστημά μας. Η πτώση μετεωριτών στη Γη συνεχίζεται ως τις μέρες-μας, και θα συνεχίζεται για πολλά εκατομμύρια έτη, αλλά ολοένα μειούμενη σε πυκνότητα. Πρόκειται για τους διάττοντες αστέρες, ή κοινώς “πεφτάστερα”, που καμία σχέση δεν έχουν με αστέρες, αλλά με μετεωρίτες που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα της Γης και αναφλέγονται από την τριβή με τα μόρια του αέρα.

Η δημιουργία λοιπόν των αστέρων μέσα σε νεφέλωμα από διαστρική ύλη θυμίζει λίγο (κατ’ αναλογία, και μόνο σε πολύ αδρές γραμμές) τη δημιουργία σταγόνων βροχής, ή σωστότερα, κρυστάλλων πάγου (που υγροποιούνται αργότερα καθώς πέφτουν) μέσα στα κοινά σύννεφα της ατμόσφαιρας του πλανήτη-μας. Η δύναμη που κάνει τα μόρια νερού στα νέφη να συνενωθούν και να σχηματίσουν παγοκρυστάλλους είναι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη· ενώ η δύναμη που κάνει τα μόρια ύλης των διαστρικών νεφών να συνενωθούν και να σχηματίσουν αστέρες με πλανητικά συστήματα, είναι η δύναμη της βαρύτητας.

Σ Υ Ν Ε Χ Ι Ζ Ε Τ Α Ι . . .

Σημειώσεις:

(^) Ας σημειώσουμε οτι δεν υπάρχει κέντρο του σύμπαντος για τον τριδιάστατο χώρο. Το γιατί είναι εκτός ορίων του παρόντος μαθήματος.

(^) Υπόψη οτι έχει προταθεί και τουλάχιστον μια θεωρία που υποστηρίζει την άποψη της αρχικής “κρύας Γης”, εξηγώντας κάποιες παρατηρήσεις. αλλά η θεωρία αυτή δεν κρίνεται ικανοποιητική από την πλειοψηφία των επιστημόνων, λόγω της πληθώρας άλλων δεδομένων που υποστηρίζουν την άποψη που περιγράφεται στο κείμενο.

Πίσω στη γενική σελίδα του Διαδικτυακού Επιστημονικού Πανεπιστημίου