วัฏจักรชีวิตของดาวดวงเล็ก

ดาวเกิดจากละอองดาวอย่างแท้จริง และเนื่องจากดาวเป็นโรงงานที่ผลิตธาตุหนักทั้งหมด โลกของเราและทุกสิ่งในนั้นจึงมาจากละอองดาวด้วย

เมฆของมัน ซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลก๊าซไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่ ลอยอยู่รอบ ๆ ในความหนาวเย็นของอวกาศจนเกินจินตนาการ จนกระทั่งแรงโน้มถ่วงบังคับให้พวกมันยุบตัวและก่อตัวเป็นดาวฤกษ์

ดวงดาวทุกดวงถูกสร้างมาอย่างเท่าเทียมกัน แต่เช่นเดียวกับผู้คน พวกมันมีหลายรูปแบบ ปัจจัยหลักของคุณลักษณะของดาวฤกษ์คือปริมาณละอองดาวที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัว

ดาวบางดวงมีขนาดใหญ่มากและมีชีวิตที่สั้นและน่าทึ่ง ในขณะที่บางดวงมีขนาดเล็กมากจนแทบไม่มีมวลเพียงพอที่จะกลายเป็นดาวฤกษ์ในตอนแรก และดาวเหล่านี้มีอายุยืนยาวมาก วัฏจักรชีวิตของดาวดังที่ NASA และหน่วยงานด้านอวกาศอื่น ๆ อธิบายนั้นขึ้นอยู่กับมวลเป็นอย่างมาก

ดาวฤกษ์ที่มีขนาดประมาณดวงอาทิตย์ถือเป็นดาวขนาดเล็ก แต่ก็ไม่ได้เล็กเท่าสีแดง คนแคระซึ่งมีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์และใกล้เคียงกับความเป็นนิรันดร์ราวกับดวงดาว ได้รับ

วัฏจักรชีวิตของดาวมวลต่ำอย่างดวงอาทิตย์ ซึ่งจัดอยู่ในประเภท G ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลัก (หรือดาวแคระเหลือง) มีอายุประมาณ 10 พันล้านปี แม้ว่าดาวฤกษ์ขนาดนี้จะไม่กลายเป็นซุปเปอร์โนวา แต่พวกมันก็จบชีวิตลงอย่างน่าทึ่ง

แรงโน้มถ่วง แรงลึกลับที่ทำให้เท้าของเรายึดติดกับพื้นและดาวเคราะห์หมุนในวงโคจรของมัน มีส่วนรับผิดชอบต่อการก่อตัวดาวฤกษ์ ภายในกลุ่มเมฆก๊าซและฝุ่นระหว่างดวงดาวที่ลอยอยู่รอบจักรวาล แรงโน้มถ่วงจะรวมโมเลกุลให้กลายเป็นกระจุกเล็กๆ ซึ่งแตกออกจากเมฆต้นกำเนิดของพวกมันจนกลายเป็นดาวฤกษ์โปรโตสตาร์ บางครั้งการยุบตัวก็เกิดขึ้นจากเหตุการณ์ในจักรวาล เช่น ซุปเปอร์โนวา

เนื่องจากมวลที่เพิ่มขึ้นของพวกมัน โปรโตสตาร์จึงสามารถดึงดูดละอองดาวได้มากขึ้น การอนุรักษ์โมเมนตัมทำให้สสารที่ยุบตัวเกิดเป็นจานหมุนและอุณหภูมิ เพิ่มขึ้นเนื่องจากความดันที่เพิ่มขึ้นและพลังงานจลน์ที่ปล่อยออกมาจากโมเลกุลของแก๊สดึงดูดให้ ศูนย์.

เชื่อกันว่าดาวโปรโตสตาร์หลายดวงมีอยู่ในเนบิวลานายพราน ลูกที่อายุน้อยมากจะกระจัดกระจายจนมองไม่เห็น แต่ในที่สุดพวกมันจะกลายเป็นทึบแสงเมื่อรวมตัวกัน เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้ขึ้น การสะสมของสสารจะดักจับรังสีอินฟราเรดในแกนกลาง ซึ่งทำให้อุณหภูมิและความดันเพิ่มขึ้น ในที่สุดก็ป้องกันไม่ให้สสารตกลงไปในแกนกลางมากขึ้น

เปลือกของดาวยังคงดึงดูดสสารและเติบโตต่อไป จนกระทั่งมีสิ่งเหลือเชื่อเกิดขึ้น

เป็นเรื่องยากที่จะเชื่อว่าแรงโน้มถ่วงซึ่งเป็นแรงที่ค่อนข้างอ่อนแอสามารถทำให้เกิดเหตุการณ์ต่อเนื่องที่นำไปสู่ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ แต่นั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้น ในขณะที่ดาวฤกษ์โปรโตสตาร์ยังคงสะสมมวลสาร ความดันที่แกนกลางจะรุนแรงมากจนไฮโดรเจนเริ่มหลอมรวมเป็นฮีเลียม และดาวฤกษ์โปรโตสตาร์ก็กลายเป็นดาวฤกษ์

การปรากฎตัวของกิจกรรมเทอร์โมนิวเคลียร์ทำให้เกิดลมแรงที่พัดจากดาวไปตามแกนของการหมุน วัตถุที่หมุนรอบปริมณฑลของดาวนั้นถูกลมพัดออกมา นี่คือระยะ T-Tauri ของการก่อตัวดาวฤกษ์ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะจากกิจกรรมพื้นผิวที่รุนแรง รวมถึงการลุกเป็นไฟและการปะทุ ดาวฤกษ์สามารถสูญเสียมวลได้ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ในช่วงนี้ ซึ่งสำหรับดาวฤกษ์ที่มีขนาดเท่าดวงอาทิตย์ จะมีอายุอยู่ไม่กี่ล้านปี

ในที่สุด สสารที่อยู่รอบปริมณฑลของดาวฤกษ์ก็เริ่มสลายตัว และสิ่งที่เหลืออยู่จะรวมตัวกันเป็นดาวเคราะห์ ลมสุริยะสงบลง และดาวฤกษ์จะเข้าสู่ช่วงเวลาแห่งความมั่นคงในลำดับหลัก ในช่วงเวลานี้ แรงภายนอกที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันของไฮโดรเจนกับฮีเลียมที่เกิดขึ้นที่แกนกลางจะทำให้แรงโน้มถ่วงภายในสมดุลกัน และดาวจะไม่สูญเสียหรือได้รับมวลสาร

ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ในท้องฟ้ายามค่ำคืนเป็นดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลัก เนื่องจากช่วงเวลานี้เป็นช่วงที่ยาวที่สุดในช่วงอายุของดาวฤกษ์ใดๆ ในขณะที่อยู่ในลำดับหลัก ดาวฤกษ์จะหลอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม และยังคงทำเช่นนั้นจนกว่าเชื้อเพลิงไฮโดรเจนของมันจะหมด

ปฏิกิริยาฟิวชันเกิดขึ้นในดาวมวลสูงเร็วกว่าที่เกิดในดาวฤกษ์ที่เล็กกว่า ดังนั้นดาวมวลสูงจะร้อนขึ้นด้วยแสงสีขาวหรือสีน้ำเงิน และพวกมันจะเผาไหม้ในเวลาอันสั้น ในขณะที่ดาวฤกษ์ขนาดเท่าดวงอาทิตย์จะมีอายุยืนยาวถึง 10 พันล้านปี ดาวยักษ์สีน้ำเงินมวลมหาศาลอาจมีอายุเพียง 20 ล้านเท่านั้น

โดยทั่วไป ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์สองประเภทเกิดขึ้นในดาวฤกษ์ที่มีลำดับหลัก แต่ในดาวฤกษ์ที่มีขนาดเล็กกว่า เช่น ดวงอาทิตย์ เกิดเพียงประเภทเดียวเท่านั้น: สายโปรตอน-โปรตอน

โปรตอนเป็นนิวเคลียสของไฮโดรเจน และในแกนกลางของดาวฤกษ์ พวกมันเดินทางเร็วพอที่จะเอาชนะการผลักไฟฟ้าสถิตและชนกันเพื่อสร้างนิวเคลียสฮีเลียม-2 และปล่อย วี-นิวตริโนและโพซิตรอนในกระบวนการ เมื่อโปรตอนอีกตัวหนึ่งชนกับนิวเคลียสของฮีเลียม-2 ที่ก่อตัวขึ้นใหม่ พวกมันจะหลอมรวมเป็นฮีเลียม-3 และปล่อยโฟตอนแกมมา ในที่สุด นิวเคลียสของฮีเลียม-3 สองตัวชนกันเพื่อสร้างนิวเคลียสฮีเลียม-4 หนึ่งนิวเคลียสและโปรตอนอีกสองตัว ซึ่งดำเนินต่อไปเพื่อดำเนินปฏิกิริยาลูกโซ่ต่อไป ดังนั้น โดยรวมแล้ว ปฏิกิริยาโปรตอนกับโปรตอนกินโปรตอนสี่ตัว

สายย่อยหนึ่งสายที่เกิดขึ้นภายในปฏิกิริยาหลักจะผลิตเบริลเลียม-7 และลิเธียม-7 แต่สิ่งเหล่านี้เป็นองค์ประกอบการเปลี่ยนแปลงที่รวมกันหลังจากการชนกับโพซิตรอน เพื่อสร้างนิวเคลียสฮีเลียม-4 สองนิวเคลียส อีกสายโซ่ย่อยสร้างเบริลเลียม-8 ซึ่งไม่เสถียรและแยกออกเป็นสองนิวเคลียสฮีเลียม-4 เองตามธรรมชาติ กระบวนการย่อยเหล่านี้คิดเป็นประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ของการผลิตพลังงานทั้งหมด

ปีทองในวัฏจักรชีวิตของมนุษย์คือช่วงที่พลังงานเริ่มจางหายไป และดาวฤกษ์ก็เช่นเดียวกัน ปีทองของดาวฤกษ์มวลต่ำเกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนทั้งหมดในแกนกลางของมัน และช่วงเวลานี้เรียกอีกอย่างว่าลำดับหลังหลัก ปฏิกิริยาฟิวชันในแกนกลางจะหยุดลง และเปลือกฮีเลียมด้านนอกจะยุบตัว ทำให้เกิดพลังงานความร้อนเนื่องจากพลังงานศักย์ในเปลือกที่ยุบตัวจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์

ความร้อนที่เพิ่มขึ้นทำให้ไฮโดรเจนในเปลือกเริ่มหลอมรวมอีกครั้ง แต่คราวนี้ ปฏิกิริยาจะก่อให้เกิดความร้อนมากกว่าที่เกิดขึ้นเมื่อเกิดขึ้นเฉพาะในแกนกลางเท่านั้น

ฟิวชั่นของชั้นเปลือกไฮโดรเจนผลักขอบของดาวออกไปด้านนอก และชั้นบรรยากาศภายนอกจะขยายตัวและเย็นลง ทำให้ดาวฤกษ์กลายเป็นดาวยักษ์แดง เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นกับดวงอาทิตย์ในอีกประมาณ 5 พันล้านปี มันจะขยายระยะทางไปยังโลกครึ่งหนึ่ง

การขยายตัวจะมาพร้อมกับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่แกนกลางเมื่อฮีเลียมถูกทิ้งโดยปฏิกิริยาไฮโดรเจนฟิวชันที่เกิดขึ้นในเปลือกมากขึ้น มันร้อนมากจนฮีเลียมฟิวชั่นเริ่มขึ้นในแกนกลาง ทำให้เกิดเบริลเลียม คาร์บอน และออกซิเจน และเมื่อปฏิกิริยานี้ (เรียกว่าฮีเลียมแฟลช) เริ่มต้น มันจะแพร่กระจายอย่างรวดเร็ว

หลังจากที่ฮีเลียมในเปลือกหมด แก่นของดาวดวงเล็กๆ จะไม่สามารถสร้างความร้อนได้มากพอที่จะหลอมรวมองค์ประกอบที่หนักกว่าที่สร้างขึ้น และเปลือกรอบแกนกลางจะยุบตัวลงอีกครั้ง การพังทลายนี้ทำให้เกิดความร้อนจำนวนมาก – เพียงพอที่จะเริ่มหลอมฮีเลียมในเปลือก – และเกิดใหม่ ปฏิกิริยาเริ่มต้นในช่วงเวลาใหม่ของการขยายตัวซึ่งรัศมีของดาวฤกษ์จะเพิ่มขึ้นมากถึง 100 เท่าของเดิม รัศมี.

เมื่อดวงอาทิตย์ของเรามาถึงจุดนี้ มันจะขยายออกนอกวงโคจรของดาวอังคาร

เรื่องราวใดๆ เกี่ยวกับวัฏจักรชีวิตของดาวฤกษ์สำหรับเด็กควรมีคำอธิบายเกี่ยวกับเนบิวลาดาวเคราะห์ด้วย เพราะสิ่งเหล่านี้เป็นปรากฏการณ์ที่โดดเด่นที่สุดในจักรวาล คำว่าเนบิวลาดาวเคราะห์เป็นการเรียกชื่อผิด เพราะไม่เกี่ยวอะไรกับดาวเคราะห์

เป็นปรากฏการณ์ที่รับผิดชอบต่อภาพอันน่าทึ่งของ Eye of God (Helix Nebula) และภาพอื่นๆ ที่เผยแพร่บนอินเทอร์เน็ต เนบิวลาดาวเคราะห์นั้นห่างไกลจากการเป็นดาวเคราะห์ในธรรมชาติ เนบิวลาดาวเคราะห์เป็นลายเซ็นของการตายของดาวฤกษ์ขนาดเล็ก

เมื่อดาวขยายออกเป็นดาวยักษ์แดงดวงที่สอง แกนกลางก็จะยุบตัวเป็นสีขาวที่ร้อนจัด ดาวแคระซึ่งเป็นเศษซากหนาแน่นที่มีมวลส่วนใหญ่ของดาวฤกษ์เดิมบรรจุอยู่ในขนาดเท่าโลก ทรงกลม ดาวแคระขาวปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตที่ทำให้แก๊สแตกตัวเป็นไอออนในเปลือกที่กำลังขยายตัว ทำให้เกิดสีและรูปร่างที่น่าทึ่ง

เนบิวลาดาวเคราะห์ไม่ได้อยู่นาน และสลายไปในเวลาประมาณ 20,000 ปี อย่างไรก็ตาม ดาวแคระขาวที่ยังคงอยู่หลังจากเนบิวลาดาวเคราะห์ได้สลายตัวไปแล้วนั้นมีอายุยืนยาวมาก โดยพื้นฐานแล้วมันคือก้อนคาร์บอนและออกซิเจนผสมกับอิเล็กตรอนที่อัดแน่นจนเรียกได้ว่าเสื่อมสภาพ ตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม พวกมันไม่สามารถบีบอัดได้ไกลกว่านี้ ดาวฤกษ์มีความหนาแน่นมากกว่าน้ำล้านเท่า

ไม่มีปฏิกิริยาฟิวชันเกิดขึ้นภายในดาวแคระขาว แต่มันยังคงร้อนอยู่โดยอาศัยพื้นที่ผิวเล็กๆ ของมัน ซึ่งจำกัดปริมาณพลังงานที่มันแผ่ออกมา ในที่สุดมันจะเย็นลงจนกลายเป็นก้อนคาร์บอนสีดำเฉื่อยและทำให้อิเล็กตรอนเสื่อมสภาพ แต่จะใช้เวลา 10 ถึง 100 พันล้านปี เอกภพยังไม่แก่พอที่สิ่งนี้จะเกิดขึ้น

ดาวฤกษ์ที่มีขนาดเท่ากับดวงอาทิตย์จะกลายเป็นดาวแคระขาวเมื่อกินเชื้อเพลิงไฮโดรเจน แต่ดาวดวงหนึ่งที่มีมวลในแกนกลางของมัน 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์จะพบกับชะตากรรมที่ต่างออกไป

ดาวฤกษ์ที่มีมวลขนาดนี้ ซึ่งเรียกว่าขีดจำกัดจันทรเสกขาร์ยังคงยุบตัวต่อไป เพราะแรงโน้มถ่วงเพียงพอที่จะเอาชนะความต้านทานภายนอกของการเสื่อมสภาพของอิเล็กตรอน แทนที่จะกลายเป็นดาวแคระขาว มันกลับกลายเป็นดาวนิวตรอน

เนื่องจากขีดจำกัดมวลจันทรเสกขามีผลกับแกนกลางหลังจากที่ดาวฤกษ์แผ่มวลออกไปมาก และเนื่องจากมวลที่สูญเสียไปคือ ดาวฤกษ์ต้องมีมวลประมาณแปดเท่าของดวงอาทิตย์ก่อนจะเข้าสู่ระยะดาวยักษ์แดงจึงจะกลายเป็นดาวนิวตรอน

ดาวแคระแดงเป็นดาวที่มีมวลระหว่างครึ่งถึงสามในสี่ของมวลดวงอาทิตย์ พวกมันเป็นดาวที่เจ๋งที่สุดและไม่สะสมฮีเลียมในแกนของมันมากนัก ดังนั้น พวกมันจึงไม่ขยายตัวจนกลายเป็นยักษ์แดงเมื่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์หมด แต่กลับหดตัวลงสู่ดาวแคระขาวโดยตรงโดยไม่มีการผลิตเนบิวลาดาวเคราะห์ เนื่องจากดาวเหล่านี้เผาไหม้ช้ามาก แม้ว่าจะใช้เวลานาน บางทีอาจมากถึง 100 พันล้านปีก่อนดาวดวงใดดวงหนึ่งจะผ่านกระบวนการนี้

ดาวที่มีมวลน้อยกว่า 0.5 เท่าของมวลดวงอาทิตย์เรียกว่าดาวแคระน้ำตาล พวกมันไม่ใช่ดาวฤกษ์เลยจริงๆ เพราะเมื่อมันก่อตัว พวกมันมีมวลไม่เพียงพอที่จะเริ่มต้นการหลอมรวมไฮโดรเจน แรงอัดของแรงโน้มถ่วงสร้างพลังงานเพียงพอสำหรับดาวฤกษ์ดังกล่าวที่จะเปล่งแสง แต่มีแสงที่แทบจะมองไม่เห็นที่ปลายสเปกตรัมสีแดง

เนื่องจากไม่มีการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง จึงไม่มีอะไรจะป้องกันดาวดวงดังกล่าวไม่ให้คงอยู่อย่างที่เป็นอยู่ตราบเท่าจักรวาลได้ อาจมีหนึ่งหรือหลายตัวในบริเวณใกล้เคียงของระบบสุริยะ และเนื่องจากพวกมันส่องแสงสลัว เราไม่เคยรู้เลยว่าพวกมันอยู่ที่นั่น