Livet på hovedsekvensen: Hvordan stjerner utvikler seg

Stjerner er noen av de grunnleggende byggesteinene i universet. De utgjør ikke bare galakser, men mange har også planetariske systemer. Så å forstå deres dannelse og evolusjon gir viktige ledetråder for å forstå galakser og planeter.

Sola gir oss et førsteklasses eksempel å studere, akkurat her i vårt eget solsystem. Det er bare åtte lys minutter unna, så vi trenger ikke vente lenge for å se funksjoner på overflaten. Astronomer har en rekke satellitter som studerer solen, og de har visst lenge om det grunnleggende i livet. For en ting er det middelaldrende, og midt i perioden av sitt liv kalt "hovedsekvensen". I løpet av den tiden smelter den sammen hydrogen i kjernen for å lage helium.

Gjennom sin historie har solen sett ganske lik ut. For oss har det alltid vært denne glødende, gulhvite gjenstanden på himmelen. Det ser ikke ut til å endre seg, i det minste for oss. Dette fordi det lever på en veldig annen tidsplan enn mennesker gjør. Imidlertid forandrer det seg, men på en veldig treg måte sammenlignet med hvor raskt vi lever våre korte, raske liv. Hvis vi ser på en stjerners liv i skalaen fra universets alder (ca. 13,7 milliarder år), lever solen og andre stjerner alle ganske normale liv. Det vil si at de blir født, lever, utvikler seg og dør deretter over titalls millioner eller milliarder av år.

For å forstå hvordan stjerner utvikler seg, må astronomer vite hvilke typer stjerner det er, og hvorfor de skiller seg fra hverandre på viktige måter. Et trinn er å "sortere" stjerner i forskjellige binger, akkurat som folk kan sortere mynter eller klinkekuler. Det kalles "stjerneklassifisering" og det spiller en stor rolle i å forstå hvordan stjerner fungerer.

Astronomer sorterer stjerner i en serie "bins" ved å bruke disse egenskapene: temperatur, masse, kjemisk sammensetning og så videre. Basert på sin temperatur, lysstyrke (lysstyrke), masse og kjemi, er solen klassifisert som en middelaldrende stjerne som er i en periode av livet kalt "hovedsekvensen".

Så godt som alle stjerner tilbringer mesteparten av livet på denne hovedsekvensen til de dør; noen ganger forsiktig, andre ganger voldsomt.

Den grunnleggende definisjonen av hva som gjør en stjerne i hovedsekvensen er denne: det er en stjerne som smelter sammen hydrogen til helium i kjernen. Hydrogen er den grunnleggende byggesteinen til stjerner. De bruker den deretter til å lage andre elementer.

Når en stjerne dannes, gjør den det fordi en sky av hydrogengass begynner å trekke seg sammen (trekke sammen) under tyngdekraften. Dette skaper en tett, varm protostar i midten av skyen. Det blir kjernen i stjernen.

Tettheten i kjernen når et punkt hvor temperaturen er minst 8 til 10 millioner grader celsius. De ytre lagene av protostaren presser inn kjernen. Denne kombinasjonen av temperatur og trykk starter en prosess som kalles kjernefusjon. Det er poenget når en stjerne blir født. Stjernen stabiliserer seg og når en tilstand som kalles "hydrostatisk likevekt", som er når den ytre strålingen presset fra kjernen balanseres av de enorme gravitasjonskreftene til stjernen som prøver å kollapse inn på seg selv. Når alle disse betingelsene er oppfylt, er stjernen "i hovedsekvensen", og den går livlig og gjør hydrogen til helium i kjernen.

Masse spiller en viktig rolle i å bestemme de fysiske egenskapene til en gitt stjerne. Det gir også ledetråder til hvor lenge stjernen vil leve og hvordan den vil dø. Jo større enn massen til stjernen, jo større er gravitasjonstrykket som prøver å kollapse stjernen. For å bekjempe dette større presset, trenger stjernen en høy grad av fusjon. Jo større massen til stjernen er, jo større er trykket i kjernen, jo høyere temperatur og derfor desto større er fusjonshastigheten. Det avgjør hvor fort en stjerne vil bruke opp drivstoffet.

En massiv stjerne vil smelte sammen hydrogenreservene raskere. Dette tar den av hovedsekvensen raskere enn en stjerne med lavere masse, som bruker brenselet saktere.

Når stjerner går tom for hydrogen, begynner de å smelte helium i kjernene. Dette er når de forlater hovedsekvensen. Stjerner med høy masse blir det røde supergiganter, og deretter utvikle seg til å bli blå supergiganter. Det smelter helium til karbon og oksygen. Deretter begynner det å smelte sammen dem til neon og så videre. I utgangspunktet blir stjernen en kjemisk skapelsesfabrikk, med fusjon som ikke bare forekommer i kjernen, men i lag som omgir kjernen.

Etter hvert prøver en veldig høymasset stjerne å smelte sammen jern. Dette er dødens kyss for den stjernen. Hvorfor? Fordi smelting av jern tar mer energi enn stjernen har tilgjengelig. Den stopper fusjonsfabrikken død i sine spor. Når det skjer, faller de ytre lagene av stjernen sammen på kjernen. Det skjer ganske raskt. Ytterkantene av kjernen faller først, med den fantastiske hastigheten på rundt 70 000 meter per sekund. Når det treffer jernkjernen, begynner det hele å sprette ut igjen, og det skaper en sjokkbølge som ripper gjennom stjernen om noen timer. I prosessen lages nye, tyngre elementer når sjokkfronten passerer gjennom materialet til stjernen.
Dette er det som kalles en "kjernekollaps" supernova. Etter hvert sprenges de ytre lagene ut i verdensrommet, og det som er igjen er den kollapsete kjernen, som blir en nøytronstjerne eller svart hull.

Stjerner med masser mellom en halv solmasse (det vil si halvparten av solens masse) og omtrent åtte solmasser vil smelte sammen hydrogen til helium til drivstoffet er forbrukt. På det tidspunktet blir stjernen en rød gigant. Stjernen begynner å smelte helium til karbon, og de ytre lagene utvides for å gjøre stjernen til en pulserende gul gigant.

Når det meste av helium er smeltet, blir stjernen en rød gigant igjen, enda større enn før. De ytre lagene til stjernen utvides til verdensrommet, og skaper en planetarisk tåke. Kjernen i karbon og oksygen vil bli etterlatt i form av en hvit dverg.

Stjerner mindre enn 0,5 solmasser vil også danne hvite dverger, men de vil ikke kunne smelte helium på grunn av mangelen på trykk i kjernen fra deres lille størrelse. Derfor er disse stjernene kjent som heliumhvite dverger. I likhet med nøytronstjerner, sorte hull og supergiganter hører disse ikke lenger til i hovedsekvensen.