23.1: Kifo cha Nyota za Chini

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza sifa za kimwili za suala lililoharibika na ueleze jinsi wingi na radius ya nyota zilizoharibika zinahusiana
• Panda mageuzi ya baadaye ya kibete nyeupe na uonyeshe jinsi vipengele vyake vinavyoonekana vitabadilika baada ya muda
• Tofautisha nyota ambazo zitakuwa nyeupe za rangi nyeupe

Hebu tuanze na nyota hizo ambazo masi yake ya mwisho kabla ya kifo ni chini ya mara 1.4 masi ya Jua (\(M_{\text{Sun}}\)). (Sisi kueleza kwa nini molekuli hii ni muhimu kugawa line katika muda.) Kumbuka kwamba nyota nyingi ulimwenguni huanguka katika jamii hii. Idadi ya nyota hupungua kadiri masi inavyoongezeka; nyota kubwa kweli ni nadra (tazama The Stars: A Celestial Sensa). Hii ni sawa na biashara ya muziki ambapo wanamuziki wachache tu waliwahi kuwa superstars. Zaidi ya hayo, nyota nyingi zilizo na masi ya awali kubwa zaidi kuliko 1.4\(M_{\text{Sun}}\) zitapungua hadi kufikia kiwango hicho wakati zitakapokufa. Kwa mfano, sasa tunajua kwamba nyota zinazoanza na raia wa angalau 8.0\(M_{\text{Sun}}\) (na labda kama 10\(M_{\text{Sun}}\)) zinaweza kupoteza uzito wa kutosha wakati wa maisha yao ili kufanana na jamii hii (accomplishment mtu yeyote aliyewahi kujaribu kupoteza uzito bila shaka wivu).

Nyota katika mgogoro

Katika sura ya mwisho, tuliacha hadithi ya maisha ya nyota yenye masi kama ya Jua tu baada ya kupanda hadi eneo jekundu-kubwa la mchoro wa H—R kwa mara ya pili na kumwaga baadhi ya tabaka zake za nje ili kuunda nebula ya sayari. Kumbuka kwamba wakati huu, msingi wa nyota ulikuwa unafanyika “mgogoro wa nishati.” Mapema katika maisha yake, wakati wa kipindi kifupi imara, heliamu katika msingi ilikuwa imepata moto wa kutosha fuse ndani ya kaboni (na oksijeni). Lakini baada ya heliamu hii kuchoka, kiini cha nyota kilikuwa kimejikuta tena bila chanzo cha shinikizo la kusawazisha mvuto na hivyo kilikuwa kimeanza mkataba.

Kuanguka hii ni tukio la mwisho katika maisha ya msingi. Kwa sababu masi ya nyota ni duni kiasi, haiwezi kushinikiza joto lake la msingi juu ya kutosha kuanza duru nyingine ya fusion (kwa namna hiyohiyo nyota kubwa za masi zinavyoweza). Msingi unaendelea kushuka hadi kufikia wiani sawa na karibu mara milioni wiani wa maji! Hiyo ni mara 200,000 zaidi ya wiani wa wastani wa Dunia. Kwa wiani huu uliokithiri, njia mpya na tofauti ya suala la kutenda mateke ndani na husaidia nyota kufikia hali ya mwisho ya usawa. Katika mchakato huo, kile kilichobaki cha nyota kinakuwa mojawapo ya watoto wachanga wa ajabu ambao tulikutana na The Stars: Sensa ya Mbinguni.

Degenerate Stars

Kwa sababu dwarfs nyeupe ni denser mbali kuliko dutu yoyote duniani, jambo ndani yao tabia kwa njia isiyo ya kawaida sana—tofauti na kitu chochote tunachokijua kutokana na uzoefu wa kila siku. Kwa wiani huu mkubwa, mvuto una nguvu sana na hujaribu kudhoofisha nyota bado zaidi, lakini elektroni zote zinapinga kusukumwa karibu pamoja na kuanzisha shinikizo la nguvu ndani ya msingi. Shinikizo hili ni matokeo ya sheria za msingi zinazoongoza tabia ya elektroni (fizikia quantum ulianzishwa kwa katika Sun: Powerhouse nyuklia). Kufuatana na sheria hizi (zinazojulikana kwa wanafizikia kama kanuni ya kutengwa kwa Pauli), ambazo zimethibitishwa katika masomo ya atomi katika maabara, hakuna elektroni mbili zinazoweza kuwa mahali hiyohiyo wakati huo huo kufanya kitu kimoja. Tunafafanua mahali pa elektroni kwa msimamo wake angani, na tunafafanua kile kinachofanya kwa mwendo wake na jinsi inavyozunguka.

Joto katika mambo ya ndani ya nyota daima ni ya juu sana kwamba atomi zinaondolewa karibu na elektroni zao zote. Kwa maisha mengi ya nyota, wiani wa jambo pia ni duni, na elektroni katika nyota zinahamia haraka. Hii ina maana kwamba hakuna wawili wao watakuwa mahali pale wakiongozwa kwa njia sawa sawa kwa wakati mmoja. Lakini hii yote inabadilika pale nyota inapotosha hifadhi yake ya nishati ya nyuklia na kuanza kuanguka kwake kwa mwisho.

Kama mikataba ya msingi ya nyota, elektroni hupigwa karibu na karibu pamoja. Hatimaye nyota kama Jua inakuwa mnene kiasi kwamba contraction zaidi kwa kweli itahitaji elektroni mbili au zaidi kukiuka utawala dhidi ya kuchukua sehemu moja na kusonga kwa njia ile ile. Gesi hiyo mnene inasemekana kuwa imeharibika (neno linaloundwa na fizikia na sio kuhusiana na tabia ya maadili ya elektroni). Electroni katika gesi iliyoharibika hupinga kuongezeka zaidi na shinikizo kubwa. (Ni kama elektroni zilisema, “Unaweza kushinikiza ndani yote unayotaka, lakini hakuna nafasi ya elektroni nyingine yoyote itapunguza hapa bila kukiuka sheria za kuwepo kwetu.”)

Electroni zilizoharibika hazihitaji pembejeo ya joto ili kudumisha shinikizo wanazofanya, na hivyo nyota yenye aina hii ya muundo, ikiwa hakuna kitu kinachovuruga, inaweza kudumu kimsingi milele. (Kumbuka kuwa nguvu ya kukataa kati ya elektroni zilizoharibika ni tofauti na, na nguvu zaidi kuliko, kupinduliwa kwa kawaida kwa umeme kati ya mashtaka ambayo yana ishara sawa.)

Electroni katika gesi iliyoharibika huhamia, kama vile chembe katika gesi yoyote, lakini si kwa uhuru mwingi. Elektroni fulani haiwezi kubadilisha msimamo au kasi hadi elektroni nyingine katika hatua ya karibu inapopata nje ya njia. Hali hiyo ni kama hiyo katika kura ya maegesho baada ya mchezo mkubwa wa soka. Magari yamejaa kwa karibu, na gari lililopewa haliwezi kusonga mpaka moja mbele yake ikisonga, na kuacha nafasi tupu kujazwa.

Bila shaka, nyota inayokufa pia ina nuclei ya atomiki ndani yake, sio elektroni tu, lakini inageuka kuwa nuclei inapaswa kufungwa kwa densities ya juu sana kabla ya asili yao ya quantum inakuwa dhahiri. Matokeo yake, katika vidogo vyeupe, nuclei hazionyeshe shinikizo la kuzorota. Kwa hiyo, katika hatua nyeupe ya mageuzi ya stellar, ni shinikizo la kupungua kwa elektroni, na sio ya nuclei, ambayo huzuia kuanguka kwa msingi.

Watoto Wazungu

White dwarfs, basi, ni imara, vitu compact na elektroni-degenerate cores kwamba hawezi mkataba yoyote zaidi. Mahesabu yanayoonyesha kwamba vijiti vyeupe ni hali ya mwisho ya uwezekano wa nyota za chini zilifanywa mara ya kwanza na mwanafizikia wa Kihindi wa Marekani Subrahmanyan Chandrasekhar. Alikuwa na uwezo wa kuonyesha ni kiasi gani nyota shrink kabla elektroni degenerate kusimamisha contraction yake zaidi na hivyo nini kipenyo yake ya mwisho itakuwa (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Wakati Chandrasekhar alifanya hesabu yake juu ya watoto wachanga nyeupe, alipata kitu cha kushangaza sana: radius ya kibete nyeupe hupungua kama wingi katika nyota huongezeka (ukubwa mkubwa, zaidi ya nguvu za elektroni zinaweza kuwa, na kusababisha radius ndogo). Kwa mujibu wa mifano bora ya kinadharia, kibete nyeupe kilicho na wingi wa karibu 1.4\(M_{\text{Sun}}\) au kubwa kitakuwa na radius ya sifuri. Mahesabu yanatuambia ni kwamba hata nguvu za elektroni zilizoharibika haziwezi kuzuia kuanguka kwa nyota yenye masi kubwa kuliko hii. Masi ya kiwango cha juu ambayo nyota inaweza kumaliza maisha yake nayo na bado kuwa kibete\(M_{\text{Sun}}\) nyeupe-—inaitwa kikomo cha Chandrasekhar. Nyota zilizo na raia wa mwisho wa maisha ambazo zinazidi kikomo hiki zina aina tofauti ya mwisho katika kuhifadhi - moja ambayo tutazingatia katika sehemu inayofuata.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Misa zinazohusiana na Radii ya Watoto Wazungu. Mifano za muundo nyeupe-kibete zinatabiri kuwa kadiri masi ya nyota inavyoongezeka (kuelekea kulia), radius yake inapata ndogo na ndogo.

Subrahmanyan Chandrasekhar

Alizaliwa mwaka 1910 huko Lahore, India, Subrahmanyan Chandrasekhar (inayojulikana kama Chandra kwa marafiki zake na wenzake) alikulia nyumbani ambayo ilihamasisha udhamini na maslahi ya sayansi (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Mjomba wake, C. V. Raman, alikuwa mwanafizikia aliyeshinda Tuzo ya Nobel ya 1930. Mwanafunzi wa precocious, Chandra alijaribu kusoma kadiri alivyoweza kuhusu mawazo ya hivi karibuni katika fizikia na astronomia, ingawa kupata vitabu vya kiufundi haikuwa rahisi nchini India wakati huo. Alimaliza chuo akiwa na umri wa miaka 19 na kushinda udhamini wa kusoma nchini Uingereza. Ilikuwa wakati wa safari ndefu ya mashua ili kufika shule ya kuhitimu ndipo alianza kwanza kufanya mahesabu kuhusu muundo wa nyota kibete nyeupe.

Chandra aliendeleza mawazo yake wakati na baada ya masomo yake kama mwanafunzi aliyehitimu, akionyesha-kama tulivyojadiliana-kwamba vijana weupe wenye raia zaidi ya mara 1.4 umati wa Jua hauwezi kuwepo na kwamba nadharia inabiri kuwepo kwa aina nyingine za maiti ya stellar. Aliandika baadaye kwamba alihisi aibu sana na upweke katika kipindi hiki, akitengwa na wanafunzi, akiogopa kujidai mwenyewe, na wakati mwingine akisubiri masaa ya kuzungumza na baadhi ya maprofesa maarufu aliyokuwa amesoma huko India. Mahesabu yake hivi karibuni yalimletea katika mgogoro na wanaastronomia fulani waliojulikana, wakiwemo Sir Arthur Eddington, ambaye alidhihaki hadharani mawazo ya Chandra Katika mikutano kadhaa ya wanaastronomia, viongozi kama vile Henry Norris Russell walikataa kumpa Chandra fursa ya kutetea mawazo yake, huku wakiruhusu wakosoaji wake waandamizi zaidi muda mwingi wa kuwakosoa.

Hata hivyo Chandra aliendelea, akiandika vitabu na makala zinazoelezea nadharia zake, ambazo hazikuwa sahihi tu, bali kuweka msingi wa ufahamu wetu mkubwa wa kisasa wa kifo cha nyota. Mwaka wa 1983, alipokea Tuzo ya Nobel katika fizikia kwa kazi hii ya mapema.

Mwaka wa 1937, Chandra alifika Marekani na kujiunga na kitivo katika Chuo Kikuu cha Chicago, ambako alibaki kwa maisha yake yote. Hapo alijitoa mwenyewe kwa utafiti na kufundisha, akitoa michango mikubwa katika nyanja nyingi za astronomia, kutokana na ufahamu wetu wa mwendo wa nyota kupitia Galaxy hadi tabia ya vitu vya ajabu vinavyoitwa mashimo meusi (tazama Black Holes and Curved Spacetime). Mwaka 1999, NASA ilitaja darubini yake ya kisasa ya X-ray (iliyoundwa kwa sehemu ya kuchunguza maiti kama ya stellar) Chandra X-ray Observatory.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): S. Chandrasekhar (1910-1995). Utafiti wa Chandra ulitoa msingi wa mambo mengi tunayoyajua sasa kuhusu maiti ya stellar.

Chandra alitumia muda mwingi na wanafunzi wake wahitimu, akisimamia utafiti wa PhD zaidi ya 50 wakati wa maisha yake. Alichukua majukumu yake ya kufundisha kwa umakini sana: wakati wa miaka ya 1940, wakati akiwa na makao yake katika Observatory ya Yerkes, aliendesha kwa hiari safari ya zaidi ya maili 100 kwenda chuo kikuu kila wiki ili kufundisha darasa la wanafunzi wachache tu.

Chandra pia alikuwa na ibada ya kina kwa muziki, sanaa, na falsafa, kuandika makala na vitabu kuhusu uhusiano kati ya wanadamu na sayansi. Aliwahi kuandika kwamba “mtu anaweza kujifunza sayansi jinsi mtu anafurahia muziki au sanaa.. Heisenberg alikuwa na maneno ya ajabu 'kutetemeka kabla ya nzuri'. hiyo ni aina ya hisia ninayo.”

Kwa kutumia darubini ya Hubble Space, wanaastronomia waliweza kuchunguza picha za nyota za kibete nyeupe zenye kukata tamaa na “maiti ya nyota” nyingine katika nguzo ya nyota ya M4, iliyopo karibu na miaka ya nuru 7200.

Hatima ya mwisho ya Watoto Wazungu

Ikiwa kuzaliwa kwa nyota kuu ya mlolongo hufafanuliwa na mwanzo wa athari za fusion, basi tunapaswa kuzingatia mwisho wa athari zote za fusion kuwa wakati wa kifo cha nyota. Kama msingi umetulia na shinikizo la kuzorota, shudder ya mwisho ya fusion hupita kupitia nje ya nyota, ikiteketeza hidrojeni kidogo bado iliyobaki. Sasa nyota ni kibete nyeupe cha kweli: fusion ya nyuklia katika mambo yake ya ndani imekoma. Kielelezo\(\PageIndex{3}\) kinaonyesha njia ya nyota kama Jua kwenye mchoro wa H—R wakati wa hatua zake za mwisho.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Evolutionary Track kwa Star Kama Sun. Mchoro huu unaonyesha mabadiliko ya mwangaza na halijoto ya uso kwa nyota yenye masi kama ya Jua inapokaribia mwisho wa maisha yake. Baada ya nyota kuwa kubwa tena (kumweka A kwenye mchoro), itapoteza molekuli zaidi na zaidi kadiri msingi wake unapoanza kuanguka. Hasara kubwa itafunua msingi wa ndani wa moto, ambao utaonekana katikati ya nebula ya sayari. Katika hatua hii nyota inapita kwenye mchoro upande wa kushoto inapokuwa moto zaidi na moto wakati wa kuporomoka kwake (kumweka B). Mara ya kwanza, mwanga unabaki karibu mara kwa mara, lakini kama nyota inapoanza kupungua, inakuwa chini na chini ya mkali (kumweka C). Kwa sasa ni kibete nyeupe na itaendelea kupungua polepole kwa mabilioni ya miaka hadi kuhifadhi yake yote iliyobaki ya nishati itakapoondolewa. (Hii inadhani Jua litapoteza kati ya 46— 50% ya wingi wake wakati wa hatua kubwa, kulingana na mifano mbalimbali ya kinadharia).

Kwa kuwa kibete nyeupe kilicho imara hawezi tena mkataba au kuzalisha nishati kupitia fusion, chanzo chake cha nishati pekee ni joto linalowakilishwa na mwendo wa nuclei ya atomiki katika mambo yake ya ndani. Nuru inayotoa hutoka kwenye joto hili la ndani lililohifadhiwa, ambalo ni kubwa. Hatua kwa hatua, hata hivyo, kibete nyeupe huangaza joto lake lote ndani ya angani. Baada ya mabilioni mengi ya miaka, nuclei itakuwa kusonga polepole zaidi, na kibete nyeupe haitaangaza tena (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Hapo ndipo itakuwa kijana mweusi- maiti ya stellar baridi yenye masi ya nyota na ukubwa wa sayari. Itakuwa na zaidi ya kaboni, oksijeni, na neon, bidhaa za athari za juu zaidi za fusion ambazo nyota ilikuwa na uwezo.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Mwanga unaoonekana na X-ray Picha za Sirius Star System. a) Picha hii iliyochukuliwa na darubini ya Hubble Space inaonyesha Sirius A (nyota kubwa mkali), na nyota yake, kibete nyeupe inayojulikana kama Sirius B (nyota ndogo, yenye kukata tamaa upande wa kushoto wa chini). Sirius A na B ni miaka ya nuru 8.6 kutoka Dunia na ni mfumo wetu wa nyota wa tano wa karibu zaidi. Kumbuka kuwa picha imeonekana kwa makusudi ili kutuwezesha kuona Sirius B. (b) Mfumo huo unaonyeshwa kwenye X-ray iliyochukuliwa na darubini ya Chandra Space. Kumbuka kwamba Sirius A ni dhaifu zaidi katika eksirei kuliko kibete kizungu cha moto ambacho ni Sirius B.

Tuna mshangao mmoja wa mwisho tunapoondoka nyota yetu ya chini katika makaburi ya stellar. Mahesabu yanaonyesha kuwa kama nyota iliyoharibika inavyozidi, atomi ndani yake kwa asili “huimarisha” kuwa safu kubwa, yenye kompakt (safu zilizopangwa za atomi, kama ilivyo kwenye kioo). Wakati kaboni imesisitizwa na kuimarishwa kwa njia hii, inakuwa nyota kubwa kama almasi. Nyota nyeupe kibete inaweza kufanya ushiriki wa kuvutia zaidi sasa unaweza milele kuona, ingawa jaribio lolote la mgodi nyenzo kama almasi ndani ingekuwa kuponda mpenzi mwenye nguvu mara moja!

Kujifunza kuhusu hivi karibuni “almasi nyota” kupata, baridi, nyeupe kibete nyota wanaona katika 2014, ambayo ni kuchukuliwa baridi zaidi na dimmest kupatikana hadi sasa, katika tovuti ya National Radio Astronomia Observatory.

Ushahidi kwamba Nyota Zinaweza kumwaga Misa nyingi kama zinavyobadilika

Iwapo nyota itakuwa kibete nyeupe au la inategemea kiasi gani cha molekuli kinapotea katika awamu nyekundu-giant na mapema ya mageuzi. Nyota zote zilizo na raia chini ya kikomo cha Chandrasekhar wakati zinatoka mafuta zitakuwa nyeupe, bila kujali wingi walizaliwa nao. Lakini nyota zipi zilizomwagilia wingi wa kutosha kufikia kikomo hiki?

Mkakati mmoja wa kujibu swali hili ni kuangalia katika makundi ya vijana, yaliyo wazi (ambayo yalijadiliwa katika makundi ya nyota). Wazo la msingi ni kutafuta kundinyota changa zilizo na nyota kibete nyeupe moja au zaidi. Kumbuka kwamba nyota kubwa zaidi hupitia hatua zote za mageuzi yao kwa kasi zaidi kuliko zile zilizo chini sana. Tuseme tunapata nguzo iliyo na mwanachama mweupe wa kibete na pia ina nyota kwenye mlolongo mkuu ambao una mara 6 masi ya Jua. Hii inamaanisha kuwa nyota zile pekee zilizo na raia mkubwa zaidi ya 6\(M_{\text{Sun}}\) zimekuwa na muda wa kutolea nje usambazaji wao wa nishati ya nyuklia na kukamilisha mageuzi yao hadi hatua ya kibete nyeupe. Nyota iliyobadilika kuwa kibete nyeupe lazima iwe na molekuli kuu ya mlolongo wa zaidi ya 6\(M_{\text{Sun}}\), kwani nyota zilizo na raia wa chini hazijawahi kuwa na muda wa kutumia maduka yao ya nishati ya nyuklia. Nyota ambayo ikawa kibete nyeupe lazima, kwa hiyo, imeondoa angalau 4.6\(M_{\text{Sun}}\) ili molekuli yake wakati wa kizazi cha nishati ya nyuklia iliacha inaweza kuwa chini ya 1.4\(M_{\text{Sun}}\).

Wanaastronomia wanaendelea kutafuta kundinyota zinazofaa ili kufanya mtihani huu, na ushahidi hadi sasa unaonyesha kuwa nyota zenye wingi hadi takriban 8\(M_{\text{Sun}}\) zinaweza kumwaga masi ya kutosha ili kumaliza maisha yao kama vijiti weupe. Nyota kama Jua pengine zitapoteza takriban 45% ya masi yao ya awali na kuwa dwarfs nyeupe na raia chini ya 1.4\(M_{\text{Sun}}\).

Dhana muhimu na Muhtasari

Wakati wa mageuzi yao, nyota zilimwaga tabaka zao za nje na kupoteza sehemu kubwa ya wingi wao wa awali. Nyota zilizo na raia wa 8\(M_{\text{Sun}}\) au chini zinaweza kupoteza wingi wa kutosha kuwa wachanga mweupe, ambao wana raia chini ya kikomo cha Chandrasekhar (karibu 1.4\(M_{\text{Sun}}\)). Shinikizo linalofanywa na elektroni zilizoharibika huhifadhi watoto wachanga mweupe kutoka kwa kuambukizwa kwa kipenyo bado kidogo. Hatimaye, dwarfs nyeupe baridi mbali na kuwa nyeusi dwarfs, mabaki stellar alifanya hasa ya kaboni, oksijeni, na neon.

faharasa

Chandrasekhar kikomo

kikomo cha juu kwa wingi wa kibete nyeupe (sawa na mara 1.4 wingi wa Jua)

kuzorota gesi

gesi inayopinga ukandamizaji zaidi kwa sababu hakuna elektroni mbili zinazoweza kuwa sehemu moja wakati huo huo kufanya kitu kimoja (kanuni ya kutengwa kwa Pauli)