by H ανάρτηση έχει άρωμα αστροφυσικής και παρατηρησιακής αστρονομίας. Βασικός στόχος είναι να δούμε πως η φύση με μαγικό τρόπο προστατεύει τα παιδιά της. Όπου παιδιά τα άστρα και χωρίς άστρα το σύμπαν θα ήταν ένα ψυχρό σκοτεινό νέφος υδρογόνου. Στο επίκεντρο κατά σειρά: Η βαρυτική δυναμική ενέργεια ενός σφαιρικού σώματος, το virial θεώρημα της μηχανικής με ευρύτατη χρήση στην αστροφυσική, οι αρχές διατήρησης στροφορμής και ενέργειας και εκπληκτικές φωτογραφίες από το James webb.
Η παραπάνω μάζα όπως την υπολογίσαμε ονομάζεται μάζα Jeans MJ και είναι η ελάχιστη μάζα που πρέπει να έχει ένα σφαιρικό μεσοαστρικό νέφος υδρογόνου ώστε η πίεση των μορίων του υδρογόνου να εξισορροπεί την βαρύτητα του νέφους. Από την (4) προκύπτει ότι η μάζα Jaeans για δεδομένη πυκνότητα νέφους είναι μικρή σε πολύ ψυχρές περιοχές. Για να αρχίσει η κατάρρευση ενός μεσοαστρικού νέφους υδρογόνου θα πρέπει να γίνει Μ > ΜJ που σημαίνει ότι η μάζα Jeans πρέπει να είναι αρκούντως μικρή για να ικανοποιηθεί η ανισότητα. Πράγματι η βαρυτική κατάρρευση και ο σχηματισμός άστρων συμβαίνει στα πιο ψυχρά μέρη των γαλαξιών που είναι τα μοριακά νέφη υδρογόνου. Η θερμοκρασία εκεί κυμαίνεται μεταξύ 10-20 Κ και η πυκνότητα του αερίου ρ = 10-19 kg/m3 περίπου, πιό αραιό από το τελειότερο κενό που πετυχαίνουμε στα γήινα εργαστήρια. Η ισορροπία των ψυχρών νεφών είναι εύθραυστη, μία τυχαία διαταραχή στην πυκνότητα πχ από το ωστικό κύμα ενός supernova προκαλεί την έναρξη κατάρρευσης του νέφους. Το τεράστιο νέφος καθώς καταρρέει θρυματίζεται και καθένα από τα κομμάτια ακολουθεί τη δική του μοίρα. Ας παρακολουθήσουμε ένα υποθετικό τέτοιο κομμάτι
Έστω μία περιοχή με μάζα Μ = 35 Μήλιου , Τ = 20 Κ και ρ = 10-17 kg/m3. (4) => MJ = 38 Mήλιου . Μ < ΜJ και η πίεση των μορίων υδρογόνου αντιστέκεται στη βαρύτητα. Καθώς όμως η περιοχή συμπιέζεται μεγαλώνει η πυκνότητα και όταν ρ = 10-16,8 kg/m3 MJ = 30Mήλιου οπότε γίνεται Μ > ΜJ και αρχίζει η κατάρρευση του νέφους. Πλέον έχουμε μία διαδικασία που θα διαρκέσει περίπου 100.000 χρόνια. Μια διαδικασία κατά την οποία η πυκνότητα μεγαλώνει συνεχώς και η βαρύτητα κερδίζει ολοκληρωτικά την πίεση του αερίου.
Με την έναρξη της κατάρρευσης το νέφος είχε αρχική γωνιακή ταχύτητα περιστροφής ω0, ροπή αδράνειας Ι0, δυναμική ενέργεια Ug0 και κινητική ενέργεια των μορίων του Κ0 . Σε μία μεταγενέστερη χρονική στιγμή και καθώς το νέφος συρικνώνεται η ροπή αδράνειας Ι < Ι0 και επειδή το σύστημα δε δέχεται την επίδραση εξωτερικών παραγόντων η στροφορμή του διατηρείται L = L0 => I0ω0 = Ιω => ω > ω0 και το νέφος περιστρέφεται όλο και πιό γρήγορα. Τη στιγμή αυτή η δυναμική του ενέργεια Ug < Ug0 (λόγω αρνητικού προσήμου)=> ΔUg < 0 (1) από το virial θεώρημα Ug + 2K =0 => ΔΚ = -1/2ΔUg > 0 και από την αρχή διατήρησης της ενέργειας Ε = Κ + Ug => ΔΕ = ΔΚ + ΔUg = -1/2ΔUg + ΔUg => ΔΕ = 1/2ΔUg <0. Εδώ προκύπτει ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα. Η μισή ενέργεια από τη μείωση της δυναμικής έγινε κινητική των μορίων του αερίου και η υπόλοιπη μισή ακτινοβολείται στο χώρο. Αν όλη η μείωση της δυναμικής γινόταν όλη κινητική των μορίων του τότε η πίεση των μορίων θα αυξανόταν σημαντικά και θα σταματούσε η κατάρρευση.
Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα καθώς το νέφος περιστρέφεται όλο και πιό γρήγορα οι μεγαλύτερες φυγόκεντρες δυνάμεις στον ισημερινό του δίνουν όλο και πιό πεπλατυσμένο στον ισημερινό σχήμα. Στον πυρήνα του νέφους, εκεί που θα γεννηθεί το άστρο, έχουμε τη συσσώρευση της περισσότερης ύλης. Κάποια στιγμή ο πυρήνας θα γίνει αδιαφανής και θα συγκρατεί σχεδόν τη μείωση της δυναμικής ενέργειας του νέφους(αδιαβατική συμπίεση) με αποτέλεσμα την κατακόρυφη αύξηση της θερμοκρασίας του πυρήνα. Πλέον στον πυρήνα έχει σχηματιστεί ένας πρωταστέρας μέσα σε ένα “κουκούλι” σκόνης και αερίων. Ο πρωταστέρας δεν ακτινοβολεί στο ορατό παρά μόνο ασθενώς στο υπέρυθρο με αποτέλεσμα μόνο οι ισχυρές υπέρυθρες κάμερες των διαστημικών τηλεσκοπίων να μπορούν να τους εντοπίσουν. Περιμετρικά του πρωταστέρα έχει δημιουργηθεί ένας δίσκος σκόνης και αερίων εν δυνάμει περιοχή σχηματισμού πλανητών(πρωτοπλανητικός δίσκος).
Με τη δημιουργία του πρωταστέρα δημιουργείται ένα ακόμα μεγάλο ζήτημα. Η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής έχει φτάσει σε πολύ υψηλά επίπεδα και το όλο οικοδόμημα κινδυνεύει να διαλυθεί από τις μεγάλες φυγόκεντρες δυνάμεις. Στο σημείο αυτό παρεμβαίνει πάλι η φύση που με δύο μηχανισμούς ελαττώνει την στροφορμή του συστήματος. Ο ένας είναι πίδακες ιονισμένης ύλης που εκτοξεύονται από τους δυο πόλους του νέφους(δίσκος πλέον) υπό την επίδραση του ήδη σχηματισμένου μαγνητικού πεδίου του πρωταστέρα. Ο άλλος είναι οι αστρικοί άνεμοι που επίσης μεταφέρουν πλάσμα μακριά από το σύστημα. Η ύλη που απομακρύνεται ακολουθεί τις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου του πρωταστέρα σε μία περιστροφή με την ίδια γωνιακή ταχύτητα ω που περιστρέφεται ο πρωταστέρας. Σε μεγάλη απόσταση r από τον άξονα περιστροφής μία στοιχειώδης μάζα ΔM έχει πολύ μεγάλη στροφορμή ΔL = ΔΜωr2. Όταν η ΔΜ φύγει από το σύστημα κουβαλάει μαζί της και την στροφορμή που αφαίρεσε. Στο σχήμα πάνω φαίνεται παραστατικά ο σχηματισμός πιδάκων και η δράση των αστρικών ανέμων. Έτσι η βαρυτική κατάρρευση του πρωταστέρα συνεχίζεται μέχρις ότου η θερμοκρασία στον πυρήνα του φτάσει τα 10.000.000 Κ και εκκινήσουν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης υδρογόνου. Η πίεση της παραγόμενης ακτινοβολίας αναχαιτίζει τη βαρύτητα και το άστρο πλέον ξεκινάει μία ήρεμη φάση της ζωής του κατά την οποία καίει το υδρογόνο του διατηρώντας σταθερή την κατάστασή του.
Ας δούμε τώρα το παρατηρησιακό κομμάτι με τη βοήθεια του James Webb.
Πάνω το νεαρό αστρικό σμήνος Pismis 24 που έχει σχηματιστεί στην καρδιά του νεφελώματος του Αστακού στον αστερισμό του Σκορπιού. Οι αστρικοί άνεμοι έχουν καθαρίσει το χώρο γύρω από τα άστρα.
Εντυπωσιακή φωτογραφία με τους πίδακες και τη δράση των αστρικών ανέμων σε ένα σύστημα 2 πρωταστέρων. Το αντικείμενο έχει καταχωρηθεί σαν Lynds 483
φωτογραφία με νεαρά αστέρια μέσα στο νεφέλωμα που γεννήθηκαν και εκροές ύλης από πρωταστέρες.
