امروز برای ضبط برنامه‌ای با تم نجومی-مذهبی که قرار است در ماه رمضان پخش شود رفته بودم، البته من فقط قسمت‌های نجومی‌اش را حرف زدم و توضیحات من تم مذهبی ندارد (خودم هم هنوز مردد هستم که ارتباط علم و دین چگونه باید باشد) ولی در حین توضیح تعادل ستارگان، شهودی از اتفاقات درون ستاره و سرنوشت آن به ذهنم رسید که بسیار برایم جذاب بود و قبلا نداشتم و پاسخ بسیاری از سوالاتم در مورد تحول ستاره ها را گرفتم.
یکی از اولین مفاهیمی که در اخترفیزیک به ملت یاد می‌دهند تعادل هیدرواستاتیک است. به این معنی که اگر ستاره در حال تعادل باشد (چیزی با زمان عوض نشود) آنگاه فشار لایه های پایین در اثر وزن لایه‌های بالاتر افزایش می‌یابد و هر چه در ستارگان به عمق برویم فشار باید افزایش پیدا کند، درست مثل وقتی که شما به عمق استخر می روید و در اثر وزن لایه های آب بالای سرتان، فشار زیادی را روی خود احساس می کنید. رابطه ریاضی این دو وضعیت هم یکی است. در واقع این فشار لایه های پایین‌تر است که وزن لایه‌های بالاتر را نگه می‌دارد و از انقباض گرانشی کامل ستاره جلوگیری می‌کند. بنا بر این در ستارگان بین نیروی گرانش از یک سو و فشار گاز داخل ستاره از سوی دیگر تعادلی ظریف برقرار است و اغراق نیست اگر بگوییم رقص زیبای بین گرانش و فشار است که تمام تاریخ تحولی ستاره را مشخص می کند. اگر به هر دلیلی فشار داخل ستاره افت کند گرانش ستاره را بیشتر منقبض می کند و اگر گرانش ضعیف شود، نیروی فشار ستاره را از هم بازتر می کند.
جنس این فشار ترمودینامیکی است و برای بیشتر لایه‌های ستاره می‌توان به راحتی معادله حالت گاز کامل را به طور موضعی به کار برد. این فشار ترمودینامیکی در اثر چگالی تعداد ذرات و دمای گاز به وجود می‌آید اما اگر ستاره مرتبا تابش کند دما از دست داده و فشارش افت کرده و منقبض می شود. اما این چیزی نیست که در ستاره ها می بینیم، آنها مدتهای طولانی پایدار هستند. در واقع کوره هسته‌ای درون ستارگان این گرما را به طور دائمی تامین می‌کند و باعث می شود دمای و در نتیجه فشار لایه های مختلف ستاره به مدت طولانی ثابت بماند و ستاره در تعادل هیدرو استاتیکی باقی بماند. برای توده‌های گازی که بسیار کم جرم باشند، مثل سیارات گازی، گرانش آنچنان قدرتمند نیست که کوره هسته‌ای مرکزی را روشن کند و توده گاز دائما سردتر و فشرده تر می شود تا جایی که تنها منبع فشار، فشار ملوکولی یا تبهگنی باشد و یک کره بزرگ گازی بسیار سرد باقی بماند. این اتفاقی است که برای مثال برای مشتری در حال رخ دادن است.
اما چه می شود اگر سوخت کوره‌ی هسته‌ای مرکز ستاره تمام شود؟ این بسیار بستگی به جرم ستاره دارد و جزئیات آن بسیار است اما مورد جالب اصلی انفجارهای ستاره ای یا ابر نوا اختر است. من همیشه تصور احمقانه‌ای از قصه فشار مرکزی داشتم (الان که فکر می کنم واقعا نمی فهمم چرا چنین تصور احمقانه ای داشتم!) تصورم از این کوره مرکزی مثل یک نیروی بود که دائم در حال فوت کردن است و وقتی این نیرو خاموش شود لایه های بالایی ستاره سقوط می کنند تا جایی که فشرده شدن بیشتر امکان پذیر نباشد و موج مکانیکی ایجاد شده در اثر این سقوط تمام لایه های بالای سر ستاره را به بیرون پرتاب می کند. اما حقیقت جز این است! در واقع وقتی کوره مرکزی به هر دلیلی خاموش شود، اگر اتفاق عجیب دیگری رخ ندهد فرایند بعدی این خواهد بود که دیگر چیزی گرمای تابش شده از سطح ستاره را جایگزین نمی کند، آنچه در هسته ستاره وزن لایه های بالایی را تحمل می‌کند فشار فوق العاده زیاد مرکز است که هم از چگالی تعداد بالا و هم از دمای بسیار زیاد مرکز ناشی می شود و اگر کوره مرکزی ستاره خاموش شود این دما به آرامی در اثر تابش کاهش پیدا کرده و ستاره ظرف مدت کوتاهی (در مقیاس های اخترفیزیکی) خنک و سرد می شود. پس این انفجارهای ابر نو اختری چه هستند؟ واقعیت این است که اتفاقات عجیب دیگری هم رخ می دهد! بسته به جرم و فلزیت ستاره، فرایند های متفاوتی در هسته بعد از خاموش شدن کوره مرکزی رخ می دهند، در بعضی موارد ناپایداری زوج رخ میدهد: به خاطر تولید زوج الکترون و پوزیترون (به خاطر دمای بسیار بالای هسته) فشار هسته به مقدار کمی ناگهان کاهش میابد (نمی دانم چرا، احتمالا به این دلیل که فشار الکترونهای تازه شکل گرفته کمتر از فشار تابشی است) و این باعث سقوط جزئی لایه های بالایی به مرکز ستاره می شود، این سقوط فشار و دمای مرکز را چنان بالا می برد که یک انفجار هسته‌ای شدید رخ میدهد که آنچنان قدرتمند است که تمام لایه های بالایی ستاره را به بیرون پرتاب می کند و هیچ باقی مانده‌ای مثل ستاره نوترونی باقی نمی ماند. این اتفاقی است که برای ستارگان بسیار پرجرم رخ می دهد. در برخی موارد دیگر (در واقع در اغلب موارد) گیراندازی الکترون رخ می دهد، به این معنی که الکترون های آزاد موجود در مرکز ستاره همگی با پروتون های درون هسته اتمها ترکیب شده و نوترون ایجاد می‌کنند، حذف الکترون ها تقریبا فشار درون هسته را نصف می کند و این افت ناگهانی فشار باعث می شود که لایه‌های بالایی روی هسته سرد شده سقوط کنند. بسته به این که جرم و فلزیت ستاره ها چه قدر باشد طیفی از اتفاقات (سیاه چاله بدون انفجار بزرگ، ستاره نوترونی با یک انفجار یا یک ستاره نوتورونی و انفجار که ستاره نوتورونی از ریختن دوباره ماده ستاره روی آن به سیاه چاله تبدیل می شود) رخ می دهد. در فرایند دیگر فوتون های درون هسته چنان پر انرژی می شوند که هسته های اتم ها را تجزیه می کنند و و حذف این فوتون های پر انرژی باعث سرد شدن سریع هسته و سقوط آزاد لایه های بالایی روی هسته سرد ستاره می شود، با توجه به این که این فرایند تنها در ستارگان بسیار بسیار پرجرم رخ می دهد (بالای 250 جرم خورشید) نتیجه آن یک سیاه چاله پرجرم است که کل ستاره را می بلعد و مرگی خاموش و خوفناک را رقم می‌زند. نقطه اشتراک تمام این اتفاقات سرد شدن ناگهانی هسته است که نه در اثر از دست رفتن تدریجی گرما به خاطر توقف منبع انرژی بلکه در اثر فرایند های متعدد و ناگهانی است. ناگفته نماند که آخرین باری که تحقیق می کردم هنوز پرسشهای باز بسیاری در مورد ابرنواخترها و نحوه ایجاد امواج مکانیکی وجود دارد.
پ.ن: فکر کنم مفیدترین قسمت توضیح علم برای آدمها همین شهودی است که خود آدم در تلاش برای ساده تر توضیح دادن کسب می کند.
