Ερυθρός Γίγαντας: Ένας άτακτος αστρικός υπερήλικας

Εισα­γω­γή

Ο Ερυ­θρός Γίγα­ντας είναι ένας Αστέ­ρας μικρής ή μεσαί­ας μάζας (0,5−10 ηλια­κές μάζες), στα τελευ­ταία στά­δια αστρι­κής εξέ­λι­ξης.

Πρό­κει­ται ουσια­στι­κά για έναν Αστέ­ρα που έχει εξα­ντλή­σει τα απο­θέ­μα­τα του Υδρο­γό­νου στην κεντρι­κή του περιο­χή, οπό­τε αρχί­ζει την καύ­ση του σε έναν φλοιό που περι­βάλ­λει τον πυρή­να. Η εξω­τε­ρι­κή του ατμό­σφαι­ρα είναι διο­γκω­μέ­νη και αραιή και η επι­φα­νεια­κή του θερ­μο­κρα­σία σχε­τι­κά χαμη­λή.

Ερυ­θρός Γίγα­ντας

Χαρα­κτη­ρι­στι­κά

Οι ερυ­θροί γίγα­ντες έχουν λαμπρό­τη­τες από 100 έως 10.000 φορές την λαμπρό­τη­τα του ήλιου. Η ακτί­να τους μπο­ρεί να είναι μερι­κές δεκά­δες ή και εκα­το­ντά­δες φορές μεγα­λύ­τε­ρη από την ακτί­να του ήλιου. Η επι­φα­νεια­κή τους θερ­μο­κρα­σία εκτι­μά­ται από 3.000 – 5.000 Κ, ενώ το χρώ­μα τους ποι­κί­λει από πορ­το­κα­λο­κί­τρι­νο έως κόκ­κι­νο.

Σχη­μα­τι­σμός Ερυ­θρού Γίγα­ντα

Όταν το Υδρο­γό­νο (H) στο εσω­τε­ρι­κό ενός άστρου εξα­ντλη­θεί (δηλα­δή το 10% περί­που της συνο­λι­κής ποσό­τη­τάς του), έχει σχη­μα­τι­στεί ένας σημα­ντι­κά μεγά­λος πυρή­νας, με δια­στά­σεις περί­που μισής αστρι­κής ακτί­νας, που απο­τε­λεί­ται από το προ­ϊ­όν της καύ­σης του υδρο­γό­νου, δηλα­δή αδρα­νές Ήλιο (He). Κι ενώ το Υδρο­γό­νο αρχί­ζει να καί­γε­ται στα υπερ­κεί­με­να στρώ­μα­τα, στον πυρή­να δεν πραγ­μα­το­ποιού­νται θερ­μο­πυ­ρη­νι­κές αντι­δρά­σεις. Η χρο­νι­κή στιγ­μή κατά την οποία αρχί­ζουν οι θερ­μο­πυ­ρη­νι­κές αντι­δρά­σεις καύ­σης του Υδρο­γό­νου στον υπερ­κεί­με­νο του πυρή­να φλοιό, εξαρ­τά­ται από τη μάζα του άστρου. Για αστέ­ρια με μάζα μικρό­τε­ρη από 1,5 ηλια­κές μάζες, η έναρ­ξη της είναι σχε­δόν ταυ­τό­χρο­νη με την εξά­ντλη­ση των απο­θε­μά­των του υδρο­γό­νου στον πυρή­να.

Από αυτό το σημείο και καθώς η πίε­ση στο κέντρο του αστε­ριού ελατ­τώ­νε­ται τόσο, ώστε να μην μπο­ρεί να υπερ­νι­κή­σει την βαρύ­τη­τα των εξω­τε­ρι­κών στρω­μά­των του αστε­ριού, η βαρυ­τι­κή κατάρ­ρευ­ση αρχί­ζει έναν νέο κύκλο. Ο πυρή­νας του αστε­ριού συστέλ­λε­ται, η θερ­μο­κρα­σία του ανε­βαί­νει και ταυ­τό­χρο­να ακτι­νο­βο­λεί, θερ­μαί­νο­ντας τα υπερ­κεί­με­να στρώ­μα­τα του Υδρο­γό­νου. Καθώς η θερ­μο­κρα­σία αυτών υπερ­βαί­νει το όριο των 2·10⁷ Κ, η καύ­ση του Υδρο­γό­νου δεν γίνε­ται πλέ­ον με τον κύκλο πρω­το­νί­ου – πρω­το­νί­ου, αλλά με τον κύκλο άνθρα­κα – αζώ­του , ο οποί­ος παρά­γει πολύ περισ­σό­τε­ρη ενέρ­γεια .

Τα εξω­τε­ρι­κά στρώ­μα­τα του αστέ­ρα δια­στέλ­λο­νται πράγ­μα που σημαί­νει ότι ενώ ο πυρή­νας του συστέλ­λε­ται, ο ίδιος στο σύνο­λό του δια­στέλ­λε­ται. Στον πυρή­να συμ­βαί­νει μία διαρ­κής επι­συσ­σώ­ρευ­ση υλι­κού καθώς τα προ­ϊ­ό­ντα της καύ­σης του υδρο­γό­νου σε Ήλιο στους υπερ­κεί­με­νους φλοιους, επιρ­ρί­πτο­νται διαρ­κώς σε αυτόν. H φωτει­νό­τη­τα του αστέ­ρα παρα­μέ­νει περί­που στα­θε­ρή, αλλά εφ’ όσον δια­στέλ­λε­ται (δηλα­δή η ακτί­να του ® αυξά­νε­ται), η ενερ­γός του θερ­μο­κρα­σία ελατ­τώ­νε­ται. Ο αστέ­ρας μετα­κι­νεί­ται από την Κύρια Ακο­λου­θία και γίνε­ται ερυ­θρός υπο­γί­γα­ντας.

Η συρ­ρί­κνω­ση του κεντρι­κού πυρή­να συνε­χί­ζε­ται και τοιου­το­τρό­πως η θερ­μο­κρα­σία σύντο­μα φτά­νει στους 2·10⁸ Κ, ικα­νή ώστε να αρχί­σουν οι θερ­μο­πυ­ρη­νι­κές αντι­δρά­σεις του Ηλί­ου που καί­γε­ται προς Βηρύλ­λιο (Βe) και κατό­πιν Άνθρα­κα ©.

Ο αστέ­ρας αρχί­ζει να παρά­γει ενέρ­γεια με ταχύ­τε­ρο ρυθ­μό έτσι ώστε η εσω­τε­ρι­κή του θερ­μο­κρα­σία να αυξά­νε­ται, η αργή βαρυ­τι­κή συστο­λή να στα­μα­τά και ο αστέ­ρας αν δια­στέλ­λε­ται και να γίνε­ται γίγα­ντας.

Καθώς ακτι­νο­βο­λεί από μεγα­λύ­τε­ρη επι­φά­νεια εξα­κο­λου­θώ­ντας να δια­τέλ­λε­ται, η δυνα­μι­κή του ενέρ­γεια αυξά­νε­ται, οπό­τε για να απο­κα­τα­στα­θεί Θερ­μι­κή Ισορ­ρο­πία, ελατ­τώ­νε­ται η επι­φα­νεια­κή του θερ­μο­κρα­σία.

Σύμ­φω­να λοι­πόν με τον νόμο του Wien (λ_max·T=σταθ) το μήκος κύμα­τος της εκπε­μπό­με­νης ακτι­νο­βο­λί­ας μετα­το­πί­ζε­ται προς μεγα­λύ­τε­ρες τιμές, δηλα­δή προς το ερυ­θρό χρώ­μα. Έτσι λοι­πόν το μεγα­λύ­τε­ρο ποσο­στό της ακτι­νο­βο­λού­με­νης ισχύ­ος εκπέ­μπε­ται σε μεγα­λύ­τε­ρα μήκη κύμα­τος και ο αστέ­ρας φαί­νε­ται ερυ­θρό­τε­ρος, γίνε­ται δηλα­δή ερυ­θρός γίγα­ντας.

Η συνε­χής αύξη­ση της θερ­μο­κρα­σί­ας στον πυρή­να, εξαι­τί­ας των θερ­μο­πυ­ρη­νι­κών αντι­δρά­σε­ων του Ηλί­ου, οδη­γεί στην πραγ­μα­το­ποί­η­ση όλο και πιο πολύ­πλο­κων πυρη­νι­κών αντι­δρά­σε­ων. Στοι­χεία όπως το Οξυ­γό­νο (Ο), το Νέο (Ne), το Μαγνή­σιο (Μg), το Πυρί­τιο (Si), κάνουν την εμφά­νι­σή τους. Δια­δο­χι­κά, όλο και πολυ­πλο­κό­τε­ροι πυρή­νες παρά­γο­νται.

Ας σημειω­θεί εδώ ότι η καύ­ση του ηλί­ου είναι εκρη­κτι­κή, βίαιη και μη ελεγ­χό­με­νη. Είναι η επο­χή που ο αστέ­ρας «σπα­τα­λά­ει» αλό­γι­στα τα ενερ­γεια­κά του απο­θέ­μα­τα κι ενώ έκα­νε εκα­τομ­μύ­ρια χρό­νια να κάψει το Υδρο­γό­νο του πυρή­να του, καί­ει με το Ήλιο μέσα σε πολύ μικρό­τε­ρο χρο­νι­κό διά­στη­μα.

Εφό­σον λοι­πόν στο στά­διο του Ερυ­θρού Γίγα­ντα οι αστέ­ρες δαπα­νούν ενέρ­γεια με πολύ ταχύ ρυθ­μό, δεν διαρ­κεί επί πολύ και οι αστέ­ρες δαπα­νούν ένα πολύ μικρό ποσο­στό της ζωής τους σε αυτό. Έτσι σε κάθε γαλα­ξία, οι ερυ­θροί γίγα­ντες είναι λίγοι στον αριθ­μό. Παρό­λα αυτά, εξαι­τί­ας των δια­στά­σε­ων και της λαμπρό­τη­τάς τους, οι ονο­μα­στό­τε­ροι παρα­τη­ρή­σι­μοι αστέ­ρες του ουρα­νού είναι ερυ­θροί γίγα­ντες.

Σημειώ­νου­με εδώ πως αν η μάζα ενός αστέ­ρα είναι μικρό­τε­ρη από 0.5 ηλια­κές μάζες, η θερ­μο­κρα­σία στο εσω­τε­ρι­κό του δεν θα φτά­σει ποτέ στο σημείο έναρ­ξης των θερ­μο­πυ­ρη­νι­κών αντι­δρά­σε­ων καύ­σης του Ηλί­ου. Σε αυτήν την περί­πτω­ση ο αστέ­ρας δεν εισέρ­χε­ται στο στά­διο του ερυ­θρού γίγα­ντα, αλλά μετά την αρχι­κή αύξη­ση της θερ­μο­κρα­σί­ας του, ψύχε­ται κατα­λή­γο­ντας σε Ερυ­θρό Νάνο. Ο Ερυ­θρός Νάνος συνε­χί­ζει τη συστο­λή του και μετα­τρέ­πε­ται σε Λευ­κό και εν συνε­χεία σε Μελα­νό Νάνο. Επει­δή οι Ερυ­θροί Νάνοι έχουν πολύ μικρή μάζα, θεω­ρη­τι­κά μπο­ρούν να παρα­μεί­νουν στην Κύρια Ακο­λου­θία για χρο­νι­κό διά­στη­μα πολύ μεγα­λύ­τε­ρο από την σημε­ρι­νή ηλι­κία του Σύμπα­ντος. Συνε­πώς είναι αδύ­να­τον, κάποιοι από τους λευ­κούς νάνους που υπάρ­χουν σήμε­ρα στο Σύμπαν, να προ­έρ­χο­νται από την εξέ­λι­ξη ερυ­θρών νάνων.

Η ιστο­ρία επα­να­λαμ­βά­νε­ται και μετά την εξά­ντλη­ση των απο­θε­μά­των του Ηλί­ου του Πυρή­να που απο­τε­λεί­ται κυρί­ως από Άνθρα­κα, επει­δή η θερ­μο­κρα­σία (10⁸ Κ) δεν επαρ­κεί για την καύ­ση του στοι­χεί­ου αυτού, αρχί­ζει εκ νέου η βαρυ­τι­κή του συστο­λή, ενώ το κέλυ­φος δια­στέλ­λε­ται. Η εξέ­λι­ξη στον κλά­δο των ερυ­θρών γιγά­ντων συνε­χί­ζε­ται.

Παράλ­λη­λα, το Ήλιο το οποίο υπάρ­χει στον φλοιό που περι­βάλ­λει τον πυρή­να (η στά­χτη της καύ­σης του Υδρο­γό­νου που συνέ­βη εκεί κατά το προη­γού­με­νο στά­διο) ανα­φλέ­γε­ται, ενώ στον δεύ­τε­ρο φλοιό ερχί­ζει να καί­γε­ται το Υδρο­γό­νο. Ο αστέ­ρας βρί­σκε­ται τώρα στο στά­διο καύ­σης διπλού φλοιού και καθώς δια­στέλ­λε­ται, δια­περ­νά στον κλά­δο τον ερυ­θρών υπερ­γι­γά­ντων στον οποίο, εξαι­τί­ας του γορ­γού ρυθ­μού κατα­νά­λω­σης ενέρ­γειας, δαπα­νά ένα πολύ σύντο­μο σχε­τι­κά χρο­νι­κό διά­στη­μα.

Δεν είναι βέβαιo ότι θα κατα­φέ­ρει ο αστέ­ρας να φτά­σει στην θερ­μο­κρα­σία η οποία είναι απα­ραί­τη­τη για την έναρ­ξη των θερ­μο­πυ­ρη­νι­κών αντι­δρά­σε­ων καύ­σης του Άνθρα­κα και την δημιουρ­γία βαρύ­τε­ρων στοι­χεί­ων.

Στο σημείο αυτό λοι­πόν, δια­κρί­νου­με δύο περι­πτώ­σεις:

1. H θερ­μο­κρα­σία του Πυρή­να αυξά­νε­ται και φθά­νει σε ικα­νό σημείο ώστε να αρχί­σουν οι θερ­μο­πυ­ρη­νι­κές αντι­δρά­σεις του άνθρα­κα, οπό­τε και στα­θε­ρο­ποιεί­ται. Η εξέ­λι­ξη του άστρου συνε­χί­ζε­ται σε αστέ­ρα νετρο­νί­ων ή σε μελα­νή οπή.
2. Ο Πυρή­νας δεν γίνε­ται ποτέ αρκε­τά θερ­μός ώστε να επέλ­θει ανά­φλε­ξη του Άνθρα­κα, οπό­τε στα­μα­τά­ει η περαι­τέ­ρω εξέ­λι­ξη του άστρου.

Γνω­στοί Ερυ­θροί Γίγα­ντες

Ο γνω­στό­τε­ρος ερυ­θρός γίγα­ντας του Τοπι­κού Γαλα­ξία είναι ο Αντά­ρης (Antares), ο οποί­ος βρί­σκε­ται στον αστε­ρι­σμό του Σκορ­πιού, σε από­στα­ση 500 ετών φωτός από την Γη. Είναι ο μεγα­λύ­τε­ρος (σε όγκο) γνω­στός αστέ­ρας, με ακτί­να 700 φορές μεγα­λύ­τε­ρη από την ακτί­να του Ήλιου.

Ο Αλδε­βα­ρά­νης (Aldebaran), ο γνω­στός στους αρχαί­ους Έλλη­νες «οφθαλ­μός του Ταύ­ρου», είναι ορα­τός ως ένα ερυ­θρό σημείο στον αστε­ρι­σμό του Ταύ­ρου. Απέ­χει 68 έτη φωτός και η ακτί­να του είναι 38 – 45 φορές μεγα­λύ­τε­ρη από την ακτί­να του Ήλιου. Είναι ο πρώ­τος αστέ­ρας που ανα­κα­λύ­φθη­κε ότι εμφα­νί­ζει Ιδία Κίνη­ση, κατα­κρη­μνί­ζο­ντας την αντί­λη­ψη ότι οι αστέ­ρες παρα­μέ­νουν ακί­νη­τοι.

Ο Βετελ­γό­ζης (Betelgeuse), που βρί­σκε­ται στον αστε­ρι­σμό του Ωρί­ω­να, απέ­χει από τη Γη 600 έτη φωτός. Η ακτί­να του είναι 730 φορές μεγα­λύ­τε­ρη από αυτήν του Ήλιου και συνε­χώς πάλ­λε­ται, με απο­τέ­λε­σμα να μην έχει στα­θε­ρές δια­στά­σεις. Λόγω της προ­χω­ρη­μέ­νης αστα­θούς κατά­στα­σής του, πιστεύ­ε­ται ότι θα εκρα­γεί ως υπερ­και­νο­φα­νής αστέ­ρας.

(Ας σημειω­θεί εδώ, ότι οι διά­φο­ρες τιμές που δίδο­νται στην διε­θνή βιβλιο­γρα­φία τόσο για το μέγε­θος των αστέ­ρων όσο και για την από­στα­σή τους από την Γη, δια­φέ­ρουν σε πολ­λές περι­πτώ­σεις αρκε­τά μετα­ξύ τους).

Το άρθρο αυτό βρί­σκε­ται και εδώ.