Yıldızlar da doğar, yaşar ve ölür. Yıldızlar Orion Bulutu gibi molekül bulutlarında doğar. Bunun nasıl olduğunu Yıldızlar Nasıl Oluşur? başlıklı yazımda anlatmıştım. Bu yazıda yıldızların nasıl yaşadığını, enerjilerini nasıl karşıladıklarını anlatmaya çalışacağım.
Bir yıldız ömrüne anakolda başlar. Aşağıdaki şekil, eksenleri ışınım gücü ve yüzey sıcaklığı olan grafikte (H-R diyagramında) anakolu temsil etmektedir. Anakoldan ve bitişiğindeki şekilden görüleceği gibi anakolda sağ aşağıdan sol yukarıya doğru yıldızın kütlesi, ışınım gücü, yüzey sıcaklığı ve yarıçapı artar.
Anakol yıldızlarında ışınım gücü, yüzey sıcaklığı ve yarıçap arasında şu bağıntı vardır: L = 4pR2sTe4 (Stefan-Boltzmann yasası, s bir sabittir).
Anakol boyunca yıldızların iç yapıları da değişir. Örneğin aşağıdaki iki şekil şematik olarak, 1 ve 9 güneş kütlesinde iki yıldızın yapılarını temsil etmektedir. Her şeklin altında birinci satır merkezden uzaklığı (R, km), ikinci satır ilgili yarıçaptaki sıcaklığı (T, Kelvin), üçüncü satır yoğunluğu (ρ, gr/cm3) göstermektedir. Birinci satır altında parantez içindeki sayı (güneş kütlesi cinsinden) ilgi yarıçap içindeki toplam kütledir. Buna göre, Güneş’in merkezinde (R =0) sıcaklık 15.5 milyon Kelvin, merkezden 180000 km uzaklıkta 7.5 milyon Kelvin, yüzeyinde (696000 km) 5800 Kelvindir.
Hidrojen Yanması
Yıldızların atmosfer kimyasal yapıları yaklaşık aynıdır: Yaklaşık her 100 atomun 90’ı hidrojen, 9’u helyum, 1 ‘i diğer daha ağır elementlerdir. Helyumdan daha ağır elementlerin toplam kütlesi, yıldız kütlesinin % 3 ünden fazla değildir.
Yıldızlarda hidrojeni helyuma çeviren iki tepkime dizisi vardır:
proton- proton (P-P) zinciri ve karbon-azot-oksijen (CNO) çevrimi.
Proton-proton birleşmesi ancak kinetik enerjileri protonların elektrostatik itme kuvvetini yani Coulomb engelini yenecek kadar yüksek ise mümkündür; bu da yüksek sıcaklık demektir. Hidrojen yanması bu nedenle yalnız yıldızın sıcak özeğinde olur. Yıldızın özeği toplam kütlenin yaklaşık % 10 kadarını içerir.
P-P zinciri
P-P zinciri tepkimeleri 4 milyon Kelvin yöresinde başlar, güneş kütlesinde ya da az kütleli yıldızlarda baskın enerji kaynağıdır. Güneş’in özek sıcaklığı 15.5 milyon K yöresindedir ve P-P zinciri baskındır.
http://astronomy.science.ankara.edu.tr/old/astro/turkce_ast/ders/genel_ders/win_ders18.html
p – p zincirinin adımları şöyledir:
- iki proton birleşip atom kütlesi 2 olan hidrojen (döteryum), bir pozitron ve bir nütrino oluşturur.
- Döteryum bir protonla çarpışır ve helyum-3 izotopu oluşur ve bir gama ışını açığa çıkar.
- Adım 1 ve adım 2 ile oluşan iki iki farklı helyum-3 izotopu birleşince helyum – 4 çekirdeği ve iki proton oluşur.
CNO çevrimi
CNO çevrimi yaklaşık 15 milyon K sıcaklıklarında başlar; kütlesi 1.3 güneş kütlesinden büyük yıldızlarda baskın enerji kaynağıdır; sıcaklık yükseldikçe CNO enerji üretimi çok daha hızlı artar, 17 milyon Kelvin sıcaklığında baskın enerji kaynağı olur.
Dikkat edilirse CNO çevriminde karbon, azot ve oksijen birer katalizördür.
Hidrojen yanması ile üretilen enerji
Hidrojen yanması süreçlerinde sonuç olarak dört proton bir Helyum-4 çekirdeğine dönüşür. 4 protonun toplam kütlesi 1 helyumun kütlesinden fazladır, aradaki kütle açığı enerjiye dönüşür:
4 H1 kütlesi = 6.693 x10-27 kg
1 He4 kütlesi = 6.645 x10-27 kg
Aradaki kütle açığı (farkı) = 0.048 x10-27 kg ;
her He çekirdeği başına üretilen enerji
E = mc2 = 0.048×10-27 kg x (3×108 m/sn)2
= 4.3 x 10-12 Joule
Güneş’in gözlenen ışınım gücü, yani saniye başına saldığı enerji
= 3.90 x 1026 Js-1 .
Bu kadar enerji üretmek için her saniye
(3.90 x 1026) / ( 4.3 x 10-12) = 9 x 1037 adet helyum atomu üretilmelidir. Bu demektir ki her saniye 600 milyon ton hidrojen 596 milyon ton helyuma dönüşüyor.
Yıldızların Anakol Ömrü
Örnek olarak Güneş’i alalım:
Enerji kapasitesi
Etoplam = (üretilen her He çekirdeği için hidrojen başına düşen kütle açığı ) x (özekteki H kütlesi) x c2
= 0.0071x (0.1 x 2.0 x 1030) x (9 x 1016) = 1.28 x 1044 J
Güneş’in gözlenen ışınım gücü, = 3.90 x 1026 Js-1 .
Bugünkü ışınım gücünün anakol ömrü boyunca aynı olduğunu varsayarsak
Güneş’in anakol ömrü t ~ 1.28 x 1044 J/ (3.90 x 1026 Js-1 )
~ 1010 yıl.
Güneş sisteminin bugünkü yaşı ~ 5×109 yıldır, yani ömrünün yaklaşık yarısındadır!
Özekte üretilen enerjinin yüzeye taşınma biçimi yıldızın kütlesine bağlıdır.
Konvektif: ışınımı (enerjiyi) madde-gaz hareketiyle taşıyor. Işımasal: ışınımı fotonlarla taşıyor
Anakol yıldızlarında Kütle – Parlaklık bağıntısı L ~ M3.5 ile verilir. Yıldızın enerji bütçesi onun kütlesi olduğuna göre, ömrü yaklaşık M/L ~ 1/M2.5 ile orantılı olacaktır. 10 güneş kütleli bir yıldız güneşten yaklaşık 300 katı daha hızlı yaşayacaktır: “hızlı yaşa, erken öl”! Kütlesi 0.7 güneş kütlesinden daha küçük olanların anakol yaşam süresi evrenin yaşından (13.8 milyar yıl) fazla!.
http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/fix/student/chapter19/19f09.html
Anakol sonrası yaşam
Yıldızın özeğinde hidrojen tükenince, yani Anakol ömrü tamamlanınca, özek (merkez) soğur, dışa doğru etkiyen gaz basıncı olmayınca merkez çöker ve dış kısmı genişler, yıldız H-R diyagramında anakoldan sağ üst tarafa doğru ayrılır ve kırmızı dev ya da üstdev olur. Özekteki çökme merkez basıncının ve sonunda sıcaklığın yükselmesine neden olur. Sıcaklık 100 milyon dereceyi aşınca özekte helyum yanması (yani helyumu karbona dönüştüren çekirdek tepkimeleri) başlar. Helyum çekirdeğine alfa parçacığı dendiği için bu tepkimeye üç alfa tepkimesi de denir.
Güneş kütlesinde bir yıldızın H-R diyagramındaki evrimi, evrim sırasında hangi yakıtları yakarak yaşamını sürdürdüğü aşağıdaki şeklin sağ yanda görülmektedir. Anakolda iken kütlesi yaklaşık 0,5 güneş kütlesinden küçük olan yıldızlar hiçbir zaman helyum yakamayacaklardır çünkü özekleri yeterli sıcaklığa ulaşamaz.
Kütlesi daha büyük fakat yaklaşık 8 güneş kütlesinden küçük olan yıldızlar benzer evrim, yani enerji üretim aşamalarından geçer.
Güneş 4,5 milyar yıldır anakoldadır ve bu anakol ömrünün yaklaşık yarısıdır. Geleceği bir beyaz cüce olmaktır!
Grafik ölçekli değildir.
http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/mainseq/mainseq.html
Çizelgeden görüleceği gibi, bir yıldız yaşamının çoğunu, belki de % 90’ını anakol evresinde geçirir.
Dev kolundaki bir yıldız ise yaşamının sonuna yaklaşmakta olan bir yıldızdır (bkz Yıldızların Ölümü)
