جذاب ترین حقایق خورشید؛ از دمای واقعی تا زمان مرگ و احتمال تبدیل شدن به سیاه چاله

در این مقاله به بررسی حقایقی از خورشید، ستاره زندگی‌بخش کره زمین خواهیم پرداخت که شنیدن آن می‌تواند باعث متحیر شدن شما شود.

خورشید یک ستاره از دسته کوتوله زرد-نارنجی است که در مرکز منظومه شمسی قرار دارد و پرجرم‌ترین، درخشان‌ترین و بزرگترین جسم منظومه محسوب می‌شود. این مطلب به جذاب ترین حقایق خورشید می‌پردازد.

خورشید حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش از بقایای یک ابر عظیم متراکم از گاز که در واقع بقایای نسل قبلی ستارگان بود شکل گرفت. متراکم‌ترین بخش این ابر ابتدا پیش‌ستاره‌ای را پدید آورد که به مرور و طی فرایندی پیچیده به خورشید بدل شد و همزمان با همین فرایند بود که دیگر سیارات، قمرها و سیارک‌ها از ماده خام شکل گرفتند و به واسطه گرانش شدید، در مدار خورشید واقع شدند تا منظومه شمسی شکل بگیرد.

در مرکز خورشید همین نیروی گرانش بود که منجر به آغاز همجوشی هسته‌ای شد که ستاره را نیرو بخشید. گرما و نور حاصل از واکنش هسته‌ای نیز در ادامه منجر به تکامل و شکوفایی حیات روی سطح زمین شد، اما باید بدانید که همین فرایند همجوشی هسته‌ای در نهایت منجر به از بین رفتن خورشید خواهد شد چراکه در نهایت سوخت هسته‌ای خورشید روزی به پایان می‌رسد.

حقایقی جالب درباره خورشید

ستاره کوتوله زرد منظومه شمسی که اهمیت زیادی در حیات انسان و کل اکوسیستم حیات روی زمین دارد، ستاره‌ای کاملا متوسط محسوب می‌شود. برای مقایسه، جرم خورشید در حدود ۲‎×۱۰۳۰ کیلوگرم و قطر آن در حدود ۸۶۵۰۰۰ مایل (۱.۳۹۲ میلیون کیلومتر) است که نسبتا معمولی محسوب می‌شود و ستارگان بسیاری در ابعاد بزرگتر یا کوچکتر آن وجود دارد.

اما آنچه خورشید را از دیگر ستارگان متمایز می‌کند اینکه در منظومه خود تنها است در حالی که عموم ستارگان در منظومه‌هایی با یک یا چند ستاره همراه هستند.

خورشید از چه چیزی ساخته شده است؟

خورشید یک جسم ستاره‌ای است که در آن هیدروژن برای ایجاد هلیوم ذوب می‌شود. تفاوت میان جرم اتم‌های هیدروژن و اتم هلیوم که در قالب انرژی آزاد می‌شود، گرما و نوری را تولید می‌کند که در حیات کره زمین نقش اساسی دارد.

ستارگانی مانند خورشید پیش از آنکه فرایند همجوشی هسته‌ای را آغاز کنند ناگزیر باید جرم مورد نیاز برای فرایند همجوشی را از محیط اطراف خود تامین کنند و در واقع از یک پیش‌ستاره به ستاره کامل بدل شوند.

مانند همه ستارگان دیگرِ رشته اصلی، بخش عمده جرم خورشید متشکل از هیدروژن و هلیوم است و مابقی را مقادیر محدودی از عناصر سنگین در برگرفته است. در ستاره‌شناسی به هر عنصر سنگین‌تر از هلیوم و هیدروژن در اصطلاح فلز می‌گویند که با حرف Z مشخص می‌شود.

ترکیب عناصر سازنده خورشید به ترتیب عبارت است از ۷۳ درصد هیدروژن، ۲۵ درصد هلیوم و ۲ درصد فلزات که نسبت فلز آن به مراتب کمتر از نسل پیشین ستارگان است.

هرچه ستاره بزرگتر باشد سرعت فرایند سوخت‌وساز هیدروژنی آن بیشتر است و در نتیجه ستارگانی که جرم بزرگتری نسبت به خورشید دارند، عمر کمتری دارند. برای مثال و به نقل از دانشگاه فناوری سوینبرن استرالیا، ستارگانی که ۴۰ برابر جرم خورشید هستند عمری تقریبا ۱ میلیون ساله دارند حال آنکه میانگین طول عمر رشته اصلی خورشید ۱۰ میلیارد سال است.

گرمای خورشید چقدر است؟

دمای هسته خورشید به ۲۷ میلیون درجه فارنهایت (۱۵ میلیون درجه سانتی‌گراد) می رسد و بخش عمده هیدروژن در هسته به صورت پلاسمای یونیزه وجود دارد، زیرا شرایط در آنجا به حدی گرم و دشوار است که الکترون‌ها را از اتم‌های تشکیل دهنده جدا می‌کند.

با وجود این هسته خورشید و نحوه دقیق عملکرد آن برای ما کاملا مشخص نیست و عمیق‌ترین بخش خورشید که از روی زمین تاکنون موفق به دیدن آن شده‌ایم، فوتوسفر یا همان سطح پلاسمایی خورشید است. دمای فوتوسفر از حدود ۶۷۰۰ فارنهایت تا ۱۴۰۰۰ فارنهایت (۳۷۰۰ تا ۷۷۰ درجه سانتی‌گراد) متغیر است.

اما یکی از جذاب ترین حقایق خورشید مربوط به جو یا تاج آن است. در بالای فوتوسفر، جو سست و ضعیف خورشید قرار دارد که به اصطلاح به آن تاج خورشیدی می‌گویند و در حالت عادی و از زمین قابل مشاهده نیست چراکه نوری که از خود ساطع می‌کند تحت تاثیر نور فوتوسفر قرار می‌گیرد. اما راز پنهان تاج خورشیدی چیست؟

بر اساس مدل‌های نظری دانشمندان از ساختار ستارگان، قاعدتا باید با حرکت به سمت مرکز آن‌ها، دما بیشتر شود و این برای مثال در منطقه کروموسفر خورشید که بین فوتوسفر و هسته است دیده می‌شود، جایی که دمایی به مراتب بالاتر از سطح و معادل ۹۰۰ هزار درجه فارنهایت برابر با ۵۰۰ هزار درجه سانتی‌گراد دارد.

با وجود این، یکی از جذاب ترین حقایق خورشید این است که دمای تاج یا جو خورشید به مراتب بیشتر از سطح آن است و چیزی معادل ۹۰۰ هزار درجه فارنهایت و بعضا بیشتر است که دمایی بسیار بیشتر از دمای فوتوسفر ۱۳۰۰ مایلی خورشید است.

چه چیزی به خورشید نیرو می‌دهد؟

منبع اصلی انرژی تابشی خورشید از یک فرایند همجوشی از زنجیره پروتون-پروتون (pp) تامین می‌شود که غالب‌ترین حالت آن واکنش ppI است. این فرایند با همراهی فشار گرانشی هسته خورشید به اندازه کافی در اتصال هسته‌های اتمی هیدروژن، غلبه بر بار مثبت آن‌ها و ایجاد اتم‌های سنگین‌تر موثر است.

عملکرد زنجیره واکنشی ppI شامل گرفتن چهار اتم هیدروژن و ترکیب آن‌ها برای ایجاد یک اتم هلیوم، دو پوزیترون، دو نوترینو و دو فوتون پرتو گاما است.

از آنجا که هسته خورشید سرشار از الکترون‌های سست است، دو پوزیترون به سرعت از بین می‌روند، اما پرتوهای گاما آزاد شده از واکنش همجوشی پس از چند میلی‌متر پلاسمای خورشیدی جذب می‌شوند و دوباره با اندکی انرژی کمتر در جهت‌های تصادفی تابیده می‌شوند.

ذره دیگر اما نوترینو است که در هر ثانیه میلیاردها واحد از آن از خورشید آزاد می‌شود و برخلاف فوتون‌ها کمتر با ماده وارد واکنش شده و در نتیجه به سادگی از خورشید می‌گریزد. این مهم حاکی از این است که خورشید مقادیر زیادی هیدروژن مصرف می‌کند تا درخشندگی  ۳.۸۴۶ × ۱۰۲۶ وات خود را حفظ کند. اما با به پایان رسیدن منبع هیدروژن چه اتفاقی خواهد افتاد؟ مرگ خورشید چگونه خواهد بود؟

خورشید چه زمانی می‌میرد؟

خورشید تقریبا نیمی از میانگین عمر رشته اصلی خود را گذرانده است و حدود ۴.۵ میلیارد سال است که هیدروژن را طی فرایند همجوشی هسته‌ای می‌سوزاند. ستاره اصلی منظومه شمسی در یک تقابل دائمی است چراکه فشار تشعشع بیرونی که توسط همجوشی هسته‌ای ایجاد می‌شود نیروهای گرانشی درونی را متعادل می‌کند.

اما زمانی که هیدروژن خورشید در حدود بیش از ۵ میلیارد سال دیگر به پایان برسد، دیگر نیروی مخالف نیروی گرانش درونی در کار نخواهد بود و در این شرایط مرکز خورشید تحت یک فروپاشی گرانشی قرار می‌گیرد و به یک هسته فشرده متراکم می‌شود. این سبب می‌شود که هلیوم به عناصر متراکم‌تری مانند کربن، نیتروژن و اکسیژن بدل شود.

در همین حال، پوسته بیرونی خورشید اثر معکوسی را تجربه می‌کند چراکه گرمای تولید شده توسط این فرایند همجوشی جدید باعث انبساط پوسته به بیرون می‌شود و این اتفاق بسیار بدی برای سیارات نزدیک به خورشید در منظومه شمسی است.

با ورود خورشید به این مرحله و بدل شدن به یک غول سرخ، پوسته بیرونی آن منبسط شده و تا نزدیکی مدار مریخ می‌رسد و در نتیجه سیارات قبل از مریخ یعنی عطارد، زهره و حتی زمین را می‌بلعد. البته بدل شدن به غول سرخ آخرین وضعیت خورشید نیست و یکی از جذاب ترین حقایق خورشید بعد از این مرحله رخ می‌دهد.

آیا خورشید به سیاه چاله تبدیل خواهد شد؟

برای ستارگانی که جرم آن‌ها حداقل ۲۰ برابر خورشید است، فرایند فروپاشی و همجوشی بارها تکرار می‌شود و عناصر به تدریج آنقدر سنگین‌تر می‌شوند تا به جرم اتمی آهن برسند، این فرایند نهایتا منجر به یک انفجار کیهانی قدرتمند می‌شود که به نام ابرنواختر شناخته می‌شود. با رخ دادن انفجار ابرنواختر، ستاره تحت یک فروپاشی گرانشی نهایی قرار می‌گیرد و به یک ستاره نوترونی یا سیاه چاله بدل می‌شود.

اما در مورد ستارگانی که در جرم خورشید ما هستند، لایه‌های بیرونی ستاره در مرحله غول سرخ متورم شده و به یک سحابی سیاره‌ای بدل می‌شوند و تقریبا بعد از ۱ میلیارد سال از بین می‌روند. تنها چیزی که پس از  نابود شدن لایه‌های بیرونی باقی می‌ماند، هسته بسیار داغ خورشید است که کم‌کم سرد می‌شود و پس از چندین میلیارد سال به وضعیت کوتوله سفید دگرگون می‌شود.

هسته به عنوان یک کوتوله سفید بسیار کم نور می‌شود و مواد خارج شده از آن چیزی را تشکیل می‌دهد که به عنوان یک سحابی سیاره‌ای در اطراف آن دیده می‌شود. این ماده در نهایت در سراسر محدوده خورشید پخش می‌شود و به اجزای سازنده نسل بعدی ستارگان و سیارات بدل خواهد شد.