Structura interna a stelelor

Cercetarile din astrofizica au aratat ca in functie de densitatea centrala, in natura exista cel putin patru categorii de stele: ordinare, pitice albe, stele de neutroni si stele colapsate. Stelele ordinare sunt acelea pe care le putem observa la prima privire a boltii ceresti; cele pitice albe au fost studiate inca in 1920, iar stelele de neutroni au fost indentificate cu pulsarii.

Stelele neutronice

O supergiganta nu este distrusa complet de explozie. Aceasta isi dezveleste doar miezul, format din fier. Steaua sufera o compresie fantastica si se reduce la inceput la dimensiunea unei mici sfere cu diametrul de aproximativ doar 20 kilometri, cantarind pana la 500 de milioane de tone pe centimetru cub.

In ceea ce a mai ramas din stea, materia devine atat de comprimata, incat atomii sunt striviti, formand o stea neutronica. Acestea sunt atat de mici si atat de putin luminoase, incat pot trece neobservate.

Astronomii au identificat cateva stele neutronice, fiindca acestea emit radiati sub forma unor impulsuri periodice. Astronomii le-au numit pulsari, fiind de fapt acele stele neutronice care se invartesc foarte repede in jurul propriilor lor axe, emitand un fascicul de unde radio sau alte radiatii.

Mai apoi, daca aceste stele neutronice au un miez suficient de greu, ele se transforma in ceva si mai ciudat decat o stea de neutroni: gauri negre. O astfel de gaura neagra aparuta, cu un diametru de doar cativa kilometri ar avea o densitate aproape inimaginabila. Ar avea o asemenea forta de atractie, incat ar putea „inghite” tot ce trece pe langa el, retinand chiar si propria sa lumina.

Gaurile negre se pot detecta datorita perturbatiilor pe care le produc in jurul lor.

Conditiile de echilibru in interiorul stelelor

Pentru a studia interiorul unei stele sunt necesare cunoasterea variatiei densitatii, presiunii si a temperaturii, distanta de la centrul stelei, transportul energiei in stele si compozitia chimica din interiorul lor. Insa acestea nu se pot studia cu ajutorul datelor observationale, ci este nevoie de folosirea unor teorii de fizica generala.

Echilibrul hidrostatic

Echilibrul hidrostatic arata ca in orice punct din interiorul unei stele, greutatea straturilor de materie care se afla deasupra acestuia trebuie sa fie egala cu presiunea ce se exercita de la centru spre exterior. Presiunea insemnand suma celor doua componente: presiunea elastica gazoasa si presiunea de radiatie.

Un fapt interesant este ca sub actiunea fortei de atractie proprii, sfera ar trebui sa se comprime, dar ea ramane totusi in echilibru. Greutatea proprie tinde sa contracte sfera, in timp ce forta presiunii interne tinde sa o dilate. De aceea, cand cele doua forte vor fi egale, sfera va ramane in echilibru hidrostatic.

Echilibrul radiativ

Alaturi de echilibrul hidrostatic, pentru ca o stea sa poata fi considerata in stare de echilibru, trebuie sa fie indeplinita si conditia de echilibru radiativ.

Echilibrul radiativ apare atunci cand energia stelara care se genereaza in centrul stelei sau in interiorul corespunzator trebuie sa fie echilibrata de energia care ieste afara sub forma de radiatie.

Pentru examinarea acestor conditii de echilibru radiativ, trebuie sa cunoastem modul in care se efectueaza transportul de energie de la centru spre periferie.

Este cunoscut faptul ca energia de la centrul stelei poate fi transportata spre exterior prin adiatie, convectie si conductie. Conductia se poate aplica doar in cazul piticelor albe, unde materia este degenerata sau la alte stele de acest fel.

In mod obisnuit, in interiorul stelelor, transportul de energie se realizeaza prin radiatie. Acest proces consta in aceea ca fotonii radiatiei care pleaca de la sursa de energie din centrul stelei, sunt difuzati spre exterior suferind absorbtii si reemisii.

Prin deplasarea radiatiei fotonii lovesc un anumit strat de materie mai rece pe care-l incalzesc si acesta ajunge atat de fierbinte incat este in stare sa emita si el radiatii cu care va fi lovit si incalzit alt strat de materie rece si care va deveni capabil sa emita radiatii.

Insa prin fiecare strat se pierde o cantitate de energie deoarece este cheltuita de acesta pentru a deveni in stare de radiatie si apoi pentru mentinerea lui in aceasta stare. De aceea, aici apare notiunea de opacitate stelara, sau inversul acesteia care este numit transparenta.

Un corp este perfect transparent daca o raza de lumina trece nestingherita prin el si urmeaza o linie dreapta. Intr-unul opac, prezenta razelor de lumina este simtita atunci cand energia lor se transforma in caldura sau cand razele pot fi difuzate in diferite directii. Opacitatea depinde atat de grosimea obiectului, cat si de densitatea sa.

Gazul stelar este partial opac, deoarece in interiorul stelelor densitatea este foarte mare si provoaca o absorbtie puternica. Atunci cand temperatura creste mult si atomii elementelor grele devin ionizati, pierd electroni si inceteaza de a mai absorbi lumina; prin urmare, opacitatea materiei stelare scade odata cu cresterea temperaturii.

Spre interiorul stelei, densitatea creste si mareste opacitatea dar temperatura se micsoreaza. Din acest motiv opacitatea variaza incet de la suprafata spre centrul stelei.

In anumite cazuri, transferul energiei prin radiatie nu este destul de eficace pentru a asigura echilibrul radiativ. Fapt datorat fie din cauza ca opacitatea materialului stelar este prea mare, fie ca temperatura stelei este asa de mare incat energia se revarsa printr-un fenomen asemanator fierberii, fenomenul convectiei.

Daca in interiorul stelei un element de masa are o temperatura mai mare decat mediul din jurul sau, el se dilata, densitatea lui scade, devine mai usor, se urca si trece prin straturi mai reci ale stelei unde presiunea este si mai mica. In aceste conditii, elementul respectiv se dilata si mai mult si se raceste.

Daca temperatura din centrul stelei este suficient de mare, masa elementului considerat, care este foarte fierbinte, cedeaza caldura materiei prin care trece in sus si se opreste la o anumita inaltime. Prin urmare, aceasta masa a dus cu ea o anumita cantitate de caldura si a incalzit straturile din exterior. In locul unde s-a ridicat masa fierbinte au coborat mase mai reci, care se vor incalzi, iar procesul se repeta.

Masa degenerata

S-au realizat cercetari asupra stelelor pitice albe ce au aratat ca datorita temperaturii din interior, materia lor se afla intr-o stare gazoasa insa aceasta nu se mai supune legii gazelor perfecte. Din acest motiv, interiorul unor astfel de formatiuni de masa trebuie sa se comporte oarecum diferit fata de interiorul altor stele.

Pe de alta parte, densitatea piticelor albe este de cateva zeci de mii de ori mai mare decat densitatea corpurilor solide. Aici, atomii pot fi considerati in „atingere” ceea ce cauzeaza distrugerea lor, adica electronii sunt separati de nuclee. Aceasta stare a materiei este gazoasa, dar, din pricina densitatii mari si a presiunii interne uriase, acest gaz va avea proprietati diferite de cele ale gazelor obisnuite. Asadar, materia gazoasa din piticele albe are proprietati neobisnuite, si de aceea se numeste materie degenerata.

In cazul stelelor obisnuite, exista multi electroni liberi rupti de nuclee, dar in acelasi timp, exista si un numar mare de traiectorii, unde fiecare electron isi poate alege o orbita libera si se poate misca pe ea cu o viteza arbitrara. In schimb in piticele albe, intr-un centimetru cub exista mai multi electroni liberi decat in stelele obisnuite, iar traiectoriile libere sunt mai putine decat numarul de electroni. Asadar, in piticele albe, electronii sunt obligati sa ocupe anumite traiectorii, iar in baza principiului lui Pauli, ei trebuie sa se miste cu viteze diferite.

Miscarile cu viteze mari ale electronilor vor cauza o energie cinetica foarte mare chiar daca temperatura gazului este redusa. Astfel a aparut notiunea de „gaz electronic degenerat”, adica acel gaz in care electronii ocupa toate orbitele existente si se misca cu viteze mari.

Spre suprafata unei pitice albe, gradul de degenerare dispare, astfel ca, la suprafata atomii nu mai sunt ionizati iar materia este in stare gazoasa peste tot.

Structura intera a unei stele formata din gaz degenerat este complet diferita de structura stelelor normale. Astfel, intr-un gaz obisnuit este valabila legea gazelor perfecte in care presiunea este proportionala cu temperatura absoluta, pe cand in gazul de electroni degenerat, in prima aproximatie, presiunea poate fi considerata independenta de temperatura.

O pitica alba poate exista in stare de echilibru hidrostatic chiar si la temperatura de zero absolut, dar atunci ea nu va mai fi o pitica alba, ci o pitica neagra, deoarece, la aceasta temperatura, steaua nu mai poate emite energie.

O pitica alba este formata in interior din gaz degenerat, dar la periferie are si un strat de gaz nedegenerat cu transparenta mai redusa, in interiorul acestui strat avand loc toata scaderea de temperatura. Prin urmare, o pitica alba este alcatuita dintr-o sfera enorma de gaz electronic degenerat cu densitate centrala de mii de kilograme pe centimetrul cub si cu o densitate de circa 1kg/cm cub la periferie. Aceasta sfera este inconjurata de un invelis relativ subtire de materie stelara obisnuita in care densitatea scade de la mii de grame pe centimetrul cub si pana la zero.

Bibliografie: „Cat mai aproape de stele”, Ioan Todoran, editura Dacia

Autor: Marius, www.descopera.org