22.5: Mageuzi ya Nyota Kubwa Zaidi

Last updated
Save as PDF

Page ID: 176947

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Eleza jinsi na kwa nini nyota kubwa zinabadilika kwa kasi zaidi kuliko nyota za chini kama Jua letu
Jadili asili ya elementi nzito kuliko kaboni ndani ya nyota

Ikiwa kile tulichoelezea hadi sasa kilikuwa hadithi nzima ya mageuzi ya nyota na vipengele, tungekuwa na tatizo kubwa mikononi mwetu. Tutaona katika sura za baadaye kwamba katika mifano yetu bora ya dakika chache za kwanza za ulimwengu, kila kitu kinaanza na mambo mawili rahisi—hidrojeni na heliamu (pamoja na kidogo kidogo ya lithiamu). Utabiri wote wa mifano unamaanisha kuwa hakuna mambo nzito yaliyotolewa mwanzoni mwa ulimwengu. Hata hivyo tunapotazunguka duniani tunaona elementi nyingine nyingi badala ya hidrojeni na heli. Vipengele hivi vinapaswa kufanywa (kuunganishwa) mahali fulani ulimwenguni, na sehemu pekee ya moto ya kutosha kuifanya iko ndani ya nyota. Mojawapo ya uvumbuzi wa kimsingi wa astronomia ya karne ya ishirini ni kwamba nyota ni chanzo cha utajiri mkubwa wa kemikali ambao hufafanua dunia yetu na maisha yetu.

Tayari tumeona kwamba kaboni na oksijeni fulani hutengenezwa ndani ya nyota za chini ambazo huwa giant nyekundu. Lakini wapi mambo nzito tunayojua na kupenda (kama vile silicon na chuma ndani ya Dunia, na dhahabu na fedha katika mapambo yetu) hutoka wapi? Aina ya nyota ambazo tumekuwa tukizungumzia hadi sasa hazipatikani moto wa kutosha katika vituo vyao ili kufanya mambo haya. Inageuka kuwa mambo hayo nzito yanaweza kuundwa tu mwishoni mwa maisha ya nyota kubwa zaidi.

Kufanya Vipengele vipya katika Nyota kubwa

Nyota kubwa zinabadilika kwa njia sawa na Jua hufanya (lakini siku zote kwa haraka zaidi) —hadi kuundwa kwa msingi wa kaboni-oksijeni. Tofauti moja ni kwamba kwa nyota zilizo na zaidi ya mara mbili ya wingi wa Jua, heliamu huanza fusion hatua kwa hatua zaidi, badala ya flash ghafla. Pia, wakati nyota kubwa zaidi zinakuwa zenye rangi nyekundu, zinakuwa zenye mkali na kubwa kiasi kwamba tunaziita supergiants. Nyota hizo zinaweza kupanuka mpaka mikoa yao ya nje iwe kubwa kama obiti ya Jupiter, ambayo ni sawa na kile darubini ya Hubble Space imeonyesha kwa nyota Betelgeuse (angalia Kielelezo\(22.1.3\) katika Sehemu ya 22.1). Pia hupoteza wingi kwa ufanisi sana, huzalisha upepo mkali na kupasuka wanapokuwa na umri. Kielelezo\(\PageIndex{1}\) inaonyesha picha ya ajabu ya nyota mkubwa sana Eta Carinae, na mpango mkubwa wa vifaa ejected wazi.

alt — Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Eta Carinae. Kwa masi angalau mara 100 ile ya Jua, supergiant moto Eta Carinae ni moja kati ya nyota kubwa sana zinazojulikana. Hii Hubble Space Telescope picha kumbukumbu mbili maskio kubwa na ikweta disk ya vifaa ina ejected katika mwendo wa mageuzi yake. Eneo la nje la pink ni nyenzo zilizotupwa katika ghasia lililoonekana mwaka 1843, kubwa kuliko tukio hilo la kupoteza wingi ambalo nyota yoyote inajulikana kuwa imeokoka. Kuondoka mbali na nyota kwa kasi ya kilomita 1000/s, nyenzo hiyo ina matajiri katika nitrojeni na vipengele vingine vilivyotengenezwa katika mambo ya ndani ya nyota. Eneo la ndani la bluu-nyeupe ni nyenzo zinazotolewa kwa kasi ya chini na hivyo bado iko karibu na nyota. Inaonekana bluu-nyeupe kwa sababu ina vumbi na huonyesha nuru ya Eta Carinae, ambaye mwangaza wake ni mara milioni 4 ule wa Jua letu.

Lakini njia muhimu ambayo nyota kubwa zinatofautiana na hadithi tuliyoelezea ni kwamba zinaweza kuanza aina za ziada za fusion katika vituo vyao na katika maganda yanayozunguka mikoa yao ya kati. Tabaka za nje za nyota yenye masi kubwa zaidi ya takriban raia wa jua 8 zina uzito ambao ni wa kutosha kubana msingi wa kaboni-oksijeni mpaka inakuwa moto wa kutosha kuwaka fusion ya viini vya kaboni. Carbon inaweza fuse katika oksijeni bado zaidi, na katika joto bado juu, oksijeni na kisha neon, magnesiamu, na hatimaye silicon inaweza kujenga mambo nzito hata. Iron ni, hata hivyo, mwisho wa mchakato huu. Fusion ya atomi za chuma hutoa bidhaa ambazo ni kubwa zaidi kuliko viini vinavyounganishwa na hivyo mchakato unahitaji nishati, kinyume na kutolewa kwa nishati, ambayo athari zote za fusion hadi hatua hii zimefanya. Nishati hii inahitajika inakuja kwa gharama ya nyota yenyewe, ambayo sasa iko kwenye ukingo wa kifo (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Nini kinatokea baadaye itakuwa ilivyoelezwa katika sura ya Kifo cha Stars.

alt — Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Mambo ya Ndani Muundo wa Star Massive Tu kabla ya Exhausts yake ya Nuclear Nyota za juu zinaweza kuunganisha vipengele vikali kuliko kaboni. Kama nyota kubwa inakaribia mwisho wa mageuzi yake, mambo yake ya ndani yanafanana na vitunguu. Fusion ya hidrojeni inafanyika katika shell ya nje, na mambo ya kuendelea nzito yanafanyika fusion katika tabaka za juu-joto karibu na katikati. Athari hizi zote za fusion zinazalisha nishati na kuwezesha nyota kuendelea kuangaza. Iron ni tofauti. Fusion ya chuma inahitaji nishati, na wakati chuma hatimaye imeundwa katika msingi, nyota ina dakika tu ya kuishi.

Wafizikia sasa wamegundua njia za nyuklia ambapo karibu vipengele vyote vya kemikali vya uzito wa atomiki hadi ile ya chuma vinaweza kujengwa na nucleosynthesis hii (kutengeneza nuclei mpya ya atomiki) katika vituo vya nyota kubwa zaidi nyekundu kubwa. Hii bado inacha swali la wapi mambo nzito kuliko chuma hutoka. Tutaona katika sura inayofuata kwamba wakati nyota kubwa hatimaye zinaondoa mafuta yao ya nyuklia, mara nyingi hufa katika mlipuko wa kushangaza —supanova. Mambo nzito yanaweza kuunganishwa katika vurugu ya ajabu ya milipuko hiyo.

Si tu tunaweza kueleza kwa njia hii ambapo elementi zinazounda ulimwengu wetu na nyingine zinatoka, lakini nadharia zetu za nucleosynthesis ndani ya nyota zinaweza hata kutabiri wingi wa jamaa ambao elementi hutokea katika asili. Njia nyota zinazojenga elementi wakati wa athari mbalimbali za nyuklia zinaweza kueleza kwa nini baadhi ya elementi (oksijeni, kaboni, na chuma) ni za kawaida na nyingine ni nadra kabisa (dhahabu, fedha, na uranium).

Vipengele katika Makundi ya Globular na Makundi ya Open Sio sawa

Ukweli kwamba vipengele vinafanywa kwa nyota baada ya muda huelezea tofauti muhimu kati ya makundi ya globular na wazi. Hidrojeni na heli, ambazo ni elementi nyingi zaidi katika nyota katika jirani ya jua, ni pia sehemu nyingi za nyota katika kundinyota za aina zote mbili. Hata hivyo, wingi wa elementi nzito kuliko heliamu ni tofauti sana.

Katika Jua na sehemu kubwa ya nyota zake jirani, wingi wa pamoja (kwa masi) ya elementi nzito kuliko hidrojeni na heli ni 1— 4% za masi ya nyota. Spectra inaonyesha kuwa nyota nyingi za nguzo wazi pia zina asilimia 1— 4% ya jambo lao kwa namna ya elementi nzito. Makundi ya Globular, hata hivyo, ni hadithi tofauti. Wingi wa nyota zenye elementi nzito katika kundinyota za kawaida za globula hupatikana kuwa 1/10 hadi 1/100 tu ile ya Jua. Nyota chache za kale sana zisizo katika kundinyota zimegunduliwa kwa wingi hata wa chini wa elementi nzito.

Tofauti katika kemikali ni matokeo ya moja kwa moja ya kuundwa kwa kikundi cha nyota. Kizazi cha kwanza kabisa cha nyota awali kilikuwa na hidrojeni na heli tu. Tumeona kwamba nyota hizi, ili kuzalisha nishati, zimeunda mambo nzito ndani yao ya ndani. Katika hatua za mwisho za maisha yao, waliondoa jambo, sasa lina utajiri katika vipengele nzito, ndani ya mabwawa ya malighafi kati ya nyota. Suala kama hilo liliingizwa katika kizazi kipya cha nyota.

Hii ina maana kwamba wingi wa jamaa wa mambo nzito lazima iwe chini na chini kama tunavyoangalia zaidi katika siku za nyuma. Tuliona kwamba makundi ya globular ni makubwa zaidi kuliko makundi ya wazi. Kwa kuwa nyota za globular-nguzo ziliundwa mapema sana (yaani ni kizazi cha awali cha nyota) kuliko zile zilizo kwenye kundinyota wazi, zina wingi mdogo tu wa elementi nzito kuliko hidrojeni na heliamu.

Wakati unapopita, uwiano wa elementi nzito katika “malighafi” ambayo hufanya nyota mpya na sayari kuongezeka. Hii inamaanisha kuwa kizazi cha kwanza cha nyota zilizoundwa katika Galaxy yetu hakingekuwa kikiongozana na sayari kama Dunia, iliyojaa silicon, chuma, na mambo mengine mengi nzito. Dunia (na wanafunzi wa astronomia wanaoishi juu yake) iliwezekana tu baada ya vizazi vya nyota kuwa na nafasi ya kufanya na kusaga elementi zao nzito.

Sasa utafutaji unaendelea kwa nyota halisi za kizazi cha kwanza, zilizofanywa kwa hidrojeni na heli tu. Nadharia zinatabiri kwamba nyota hizo zinapaswa kuwa kubwa sana, ziishi haraka, na kufa haraka. Wangepaswa kuishi na kufa muda mrefu uliopita. Mahali pa kuwatafuta ni katika galaxi za mbali sana zilizoundwa wakati ulimwengu ulikuwa na umri wa miaka milioni mia chache tu, lakini nuru yake inakuja tu duniani sasa.

Kufa inakaribia

Ikilinganishwa na maisha makuu ya mlolongo wa nyota, matukio ambayo yanaonyesha hatua za mwisho za mageuzi ya stellar hupita haraka sana (hasa kwa nyota kubwa). Wakati mwanga wa nyota unavyoongezeka, kiwango chake cha matumizi ya mafuta ya nyuklia kinaongezeka kwa haraka—tu katika hatua hiyo ya maisha yake wakati usambazaji wake wa mafuta unapoanza kupungua.

Baada ya mafuta mkuu—hidrojeni-imechoka katika kiini cha nyota, tuliona kwamba vyanzo vingine vya nishati ya nyuklia vinapatikana kwa nyota katika fusion ya, kwanza, heliamu, halafu ya elementi nyingine ngumu zaidi. Lakini mavuno ya nishati ya athari hizi ni kidogo sana kuliko ile ya fusion ya hidrojeni kwa heliamu. Na kusababisha athari hizi, joto la kati lazima liwe kubwa zaidi kuliko ile inayohitajika kwa fusion ya hidrojeni kwa heliamu, na kusababisha matumizi ya haraka zaidi ya mafuta. Wazi huu ni mchezo wa kupoteza, na haraka sana nyota inafikia mwisho wake. Kama inavyofanya hivyo, hata hivyo, baadhi ya mambo ya ajabu yanaweza kutokea, kama tutakavyoona katika Kifo cha Stars.

Dhana muhimu na Muhtasari

Katika nyota zenye wingi wa juu kuliko takriban raia wa jua 8, athari za nyuklia zinazohusisha kaboni, oksijeni, na bado elementi nzito zinaweza kujenga viini kama nzito kama chuma. Uumbaji wa vipengele vipya vya kemikali huitwa nucleosynthesis. Hatua za mwisho za mageuzi hutokea haraka sana. Hatimaye, nyota zote zinapaswa kutumia vifaa vyote vya nishati vinavyopatikana. Katika mchakato wa kufa, nyota nyingi zinatupa jambo fulani, linalojitokeza katika elementi nzito, katika nafasi ya interstellar ambako inaweza kutumika kutengeneza nyota mpya. Kwa hiyo kila kizazi cha nyota kinachofaulu kina sehemu kubwa ya elementi nzito kuliko hidrojeni na heli. Utajiri huu unaoendelea unaelezea kwa nini nyota zilizo katika makundi ya wazi (ambazo ziliundwa hivi karibuni) zina vyenye nzito zaidi kuliko zile zilizo katika makundi ya kale ya globula, na inatuambia ambapo atomi nyingi duniani na katika miili yetu zinatoka.

faharasa

nucleosynthesis: ujenzi wa mambo nzito kutoka kwa nyepesi na fusion ya nyuklia