ดาวแคระแดง: การค้นพบลักษณะวิวัฒนาการองค์ประกอบ - ARTE

แคระแดงมีขนาดเล็ก, ดาวเย็นที่มีมวลระหว่าง 0.08 และ 0.8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์พวกเขาเป็นดาวมากที่สุดอุดมสมบูรณ์และยาวที่สุดที่อาศัยอยู่ในจักรวาลได้ถึงสามในสี่ของทุกคนที่รู้จักเพื่อให้ห่างไกล เนื่องจากความส่องสว่างต่ำจึงไม่สามารถสังเกตได้ด้วยตาเปล่าแม้ว่าจะมีจำนวนมากในบริเวณใกล้เคียงดวงอาทิตย์: จากดาวฤกษ์ใกล้เคียง 30 ดวงและ 20 ดวงเป็นดาวแคระแดง

สิ่งที่น่าสังเกตมากที่สุดสำหรับพวกเราคือ Proxima Centauri ในกลุ่มดาว Centaurus ซึ่งอยู่ห่างออกไป 4.2 ปีแสง ค้นพบในปี พ.ศ. 2458 โดยโรเบิร์ตอินเนสนักดาราศาสตร์ชาวสก็อตแลนด์ (1861-1933)

รูปที่ 1. ดาวแคระแดง Proxima Centauri เป็นส่วนหนึ่งของระบบดาว Alpha Centauri ในกลุ่มดาว Centauri ที่มา: ESA / Hubble & NASA ผ่าน Wikimedia Commons

อย่างไรก็ตามก่อนที่ Proxima Centauri จะถูกค้นพบกล้องโทรทรรศน์ของนักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Joseph de Lalande (1732-1802) ได้พบดาวแคระแดง Lalande 21185 ในกลุ่มดาว Ursa Major แล้ว

คำว่า "ดาวแคระแดง" ใช้เพื่ออ้างถึงชั้นต่างๆของดาวฤกษ์รวมถึงดาวที่มีสเปกตรัมประเภท K และ M เช่นเดียวกับดาวแคระน้ำตาลดาวที่ไม่ได้เป็นเช่นนั้นจริง ๆ เนื่องจากพวกมันไม่เคยมีมวลเพียงพอที่จะเริ่มต้นเครื่องปฏิกรณ์ ภายใน.

ประเภทของสเปกตรัมสอดคล้องกับอุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์และแสงของมันจะแตกออกเป็นชุดของเส้นที่มีลักษณะเฉพาะมาก

ตัวอย่างเช่นสเปกตรัมประเภท K มีอุณหภูมิระหว่าง 5,000 ถึง 3500 K และสอดคล้องกับดาวสีเหลืองส้มในขณะที่อุณหภูมิของประเภท M น้อยกว่า 3500 K และเป็นดาวสีแดง

ดวงอาทิตย์ของเราเป็นสเปกตรัมประเภท G มีสีเหลืองและมีอุณหภูมิพื้นผิวระหว่าง 5,000 ถึง 6,000 เคดาวที่มีสเปกตรัมบางประเภทมีลักษณะหลายอย่างที่เหมือนกันโดยส่วนใหญ่จะเป็นตัวกำหนดมวล ตามมวลของดาวฤกษ์วิวัฒนาการของมันก็เช่นกัน

ลักษณะของดาวแคระแดง

ดาวแคระแดงมีลักษณะบางอย่างที่ทำให้พวกมันแตกต่าง เราได้กล่าวไปแล้วในตอนต้น:

- ขนาดเล็ก

- อุณหภูมิพื้นผิวต่ำ

- อัตราการเผาไหม้ของวัสดุต่ำ

- ความส่องสว่างต่ำ

มวล

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วว่าเป็นคุณสมบัติหลักที่กำหนดหมวดหมู่ที่ดาวไปถึง ดาวแคระแดงมีจำนวนมากเนื่องจากดาวฤกษ์มวลต่ำก่อตัวขึ้นมากกว่าดาวฤกษ์มวลมาก

แต่ที่น่าสนใจคือเวลาที่ใช้ในการก่อตัวของดาวมวลต่ำนั้นนานกว่าดาวที่มีมวลมาก สิ่งเหล่านี้เติบโตได้เร็วขึ้นมากเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่บดอัดวัตถุให้อยู่ตรงกลางมีมากขึ้นยิ่งมีมวลมากขึ้น

และเรารู้ว่าต้องมีมวลวิกฤตจำนวนหนึ่งเพื่อให้อุณหภูมิเหมาะสมเพื่อเริ่มปฏิกิริยาฟิวชัน ด้วยวิธีนี้ดาวจะเริ่มต้นชีวิตในวัยผู้ใหญ่

ดวงอาทิตย์ใช้เวลาหลายสิบล้านปีในการก่อตัว แต่ดาวที่มีขนาดใหญ่กว่า 5 เท่าต้องใช้เวลาน้อยกว่าหนึ่งล้านปีในขณะที่ดวงที่ใหญ่ที่สุดสามารถเริ่มส่องแสงได้ในหลายแสน

อุณหภูมิ

อุณหภูมิของพื้นผิวเป็นลักษณะสำคัญอีกอย่างหนึ่งที่กำหนดดาวแคระแดง มันควรจะน้อยกว่า 5,000K แต่ไม่ต่ำกว่า 2000K มิฉะนั้นมันจะเจ๋งเกินไปที่จะเป็นดาราที่แท้จริง

วัตถุที่เป็นดาวฤกษ์ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 2,000 K ไม่สามารถมีนิวเคลียสฟิวชันได้และเป็นดาวที่ถูกยกเลิกซึ่งไม่เคยถึงมวลวิกฤตนั่นคือดาวแคระน้ำตาล

การวิเคราะห์เส้นสเปกตรัมที่ลึกขึ้นสามารถรับประกันความแตกต่างระหว่างดาวแคระแดงและดาวแคระน้ำตาล ตัวอย่างเช่นหลักฐานของลิเทียมบ่งชี้ว่ามันเป็นดาวแคระแดง แต่ถ้าเป็นมีเทนหรือแอมโมเนียก็น่าจะเป็นดาวแคระน้ำตาล

ประเภทสเปกตรัมและแผนภาพเฮิรตซ์สปริง - รัสเซล

Hertzsprung-Russell diagram (HR diagram) เป็นกราฟที่แสดงลักษณะและวิวัฒนาการของดาวตามลักษณะสเปกตรัม ซึ่งรวมถึงอุณหภูมิของพื้นผิวซึ่งตามที่เราได้กล่าวไปแล้วเป็นปัจจัยกำหนดเช่นเดียวกับความส่องสว่างของมัน

ตัวแปรที่ประกอบขึ้นเป็นกราฟคือความส่องสว่างบนแกนแนวตั้งและอุณหภูมิที่มีประสิทธิภาพบนแกนนอน มันถูกสร้างขึ้นอย่างอิสระในช่วงต้นทศวรรษ 1900 โดยนักดาราศาสตร์ Ejnar Hertzsprung และ Henry Russell

รูปที่ 2. แผนภาพ HR แสดงดาวแคระแดงในลำดับหลักที่มุมล่างขวา ที่มา: Wikimedia Commons นั่น.

ตามสเปกตรัมของพวกมันดวงดาวจะถูกจัดกลุ่มตามการจำแนกสเปกตรัมของฮาร์วาร์ดซึ่งระบุอุณหภูมิของดาวตามลำดับตัวอักษรต่อไปนี้:

OBAFGKM

เราเริ่มต้นด้วยดาวที่ร้อนแรงที่สุดประเภท O ในขณะที่เย็นที่สุดคือประเภท M ในรูปประเภทของสเปกตรัมจะอยู่ที่ด้านล่างของกราฟบนแถบสีฟ้าทางด้านซ้ายจนกว่าจะถึง สีแดงทางด้านขวา

ภายในแต่ละประเภทมีรูปแบบที่แตกต่างกันเนื่องจากเส้นสเปกตรัมมีความเข้มต่างกันดังนั้นแต่ละประเภทจึงแบ่งออกเป็น 10 ประเภทย่อยโดยแสดงด้วยตัวเลขตั้งแต่ 0 ถึง 9 ยิ่งตัวเลขต่ำดาวก็ยิ่งร้อน ตัวอย่างเช่นดวงอาทิตย์คือประเภท G2 และ Proxima Centauri คือ M6

พื้นที่กลางของกราฟซึ่งวิ่งในแนวทแยงมุมโดยประมาณเรียกว่าลำดับหลัก ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่อยู่ที่นั่น แต่วิวัฒนาการสามารถทำให้พวกมันจากไปและอยู่ในประเภทอื่นเช่นดาวยักษ์แดงหรือดาวแคระขาว ทั้งหมดขึ้นอยู่กับมวลของดาว

ชีวิตของดาวแคระแดงเกิดขึ้นตามลำดับหลักเสมอและสำหรับประเภทสเปกตรัมไม่ใช่ว่าดาวแคระระดับ M ทั้งหมดจะเป็นดาวแคระแดงแม้ว่าส่วนใหญ่จะเป็น แต่ในคลาสนี้ยังมีดาวยักษ์เช่น Betelgeuse และ Antares (ด้านขวาบนของแผนภาพ HR)

วิวัฒนาการ

ชีวิตของดาวใด ๆ เริ่มต้นด้วยการล่มสลายของสสารระหว่างดวงดาวด้วยการกระทำของแรงโน้มถ่วง เมื่อมีการรวมตัวกันเป็นสสารจะหมุนเร็วขึ้นและเร็วขึ้นและแบนลงในดิสก์ด้วยการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม ตรงกลางคือโปรโตสตาร์ซึ่งเป็นตัวอ่อนที่พูดถึงดาวในอนาคต

เมื่อเวลาผ่านไปอุณหภูมิและความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งถึงมวลวิกฤตซึ่งเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันจะเริ่มทำงาน นี่คือแหล่งพลังงานของดาวในช่วงเวลาที่จะมาถึงและต้องการอุณหภูมิแกนกลางประมาณ 8 ล้านเค

การจุดระเบิดในแกนกลางจะทำให้ดาวมีความเสถียรเนื่องจากมันชดเชยแรงโน้มถ่วงทำให้เกิดสมดุลไฮโดรสแตติก สิ่งนี้ต้องการมวลระหว่าง 0.01 ถึง 100 เท่าของมวลดวงอาทิตย์หากมวลมากกว่านี้ความร้อนสูงเกินไปจะก่อให้เกิดภัยพิบัติที่จะทำลายโปรโตสตาร์

รูปที่ 3 ในดาวแคระแดงการหลอมรวมของไฮโดรเจนในนิวเคลียสจะทำให้แรงโน้มถ่วงสมดุล ที่มา: F. Zapata

เมื่อเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันเริ่มทำงานและบรรลุความสมดุลแล้วดวงดาวจะอยู่ในลำดับหลักของแผนภาพ HR ดาวแคระแดงปล่อยพลังงานออกมาช้ามากดังนั้นปริมาณไฮโดรเจนจึงอยู่ได้นาน วิธีที่ดาวแคระแดงปล่อยพลังงานคือผ่านกลไกการพาความร้อน

การเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมเพื่อสร้างพลังงานจะดำเนินการในดาวแคระแดงโดยโซ่โปรตอน - โปรตอนซึ่งเป็นลำดับที่ไฮโดรเจนไอออนหนึ่งหลอมรวมกับอีกอันหนึ่ง อุณหภูมิมีอิทธิพลอย่างมากต่อการหลอมรวมนี้

เมื่อไฮโดรเจนหมดเครื่องปฏิกรณ์ของดาวจะหยุดทำงานและกระบวนการทำให้เย็นลงอย่างช้าๆจะเริ่มขึ้น

โปรตอน - โปรตอนโซ่

ปฏิกิริยานี้พบได้บ่อยในดาวที่เพิ่งเข้าร่วมในลำดับหลักเช่นเดียวกับในดาวแคระแดง เริ่มต้นเช่นนี้:

¹₁ H + ¹₁ H → ²₁ H + e ⁺ + ν

โดยที่ e ⁺เป็นโพซิตรอนเหมือนกันทุกอย่างกับอิเล็กตรอนยกเว้นว่าประจุของมันเป็นบวกและνคือนิวตริโนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีน้ำหนักเบาและเข้าใจยาก สำหรับส่วนที่²₁ H คือดิวทีเรียมหรือไฮโดรเจนหนัก

แล้วมันจะเกิดขึ้น:

¹₁ H + ²₁ H → ³₂เขา + γ

ในตอนหลังγเป็นสัญลักษณ์ของโฟตอน ปฏิกิริยาทั้งสองเกิดขึ้นสองครั้งเพื่อส่งผลให้:

³₂เขา + ³₂เขา→ ⁴₂เขา + 2 ( ¹₁ H)

ดาวฤกษ์สร้างพลังงานโดยการทำเช่นนี้ได้อย่างไร? มีความแตกต่างเล็กน้อยในมวลของปฏิกิริยาการสูญเสียมวลเล็กน้อยที่เปลี่ยนเป็นพลังงานตามสมการที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์:

E = มค²

เนื่องจากปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นนับครั้งไม่ถ้วนซึ่งเกี่ยวข้องกับอนุภาคจำนวนมหาศาลพลังงานที่ได้รับจึงมหาศาล แต่ไม่ใช่ปฏิกิริยาเดียวที่เกิดขึ้นภายในดาวแม้ว่าจะเกิดขึ้นบ่อยที่สุดในดาวแคระแดง

เวลาชีวิตของดารา

ดาวฤกษ์มีอายุยืนยาวเพียงใดขึ้นอยู่กับมวลของมันด้วย สมการต่อไปนี้เป็นค่าประมาณของเวลานั้น:

T = ม^-2.5

นี่ T คือเวลาและ M คือมวล การใช้ตัวพิมพ์ใหญ่มีความเหมาะสมเนื่องจากเวลาและจำนวนมหาศาล

ดาวฤกษ์อย่างดวงอาทิตย์มีชีวิตอยู่ประมาณ 10 พันล้านปี แต่ดาวฤกษ์ 30 เท่าของมวลดวงอาทิตย์มีชีวิตอยู่ 30 ล้านปีและอีกดวงหนึ่งมีมวลมากกว่านี้สามารถมีชีวิตอยู่ได้ประมาณ 2 ล้านปี ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดมันเป็นนิรันดร์สำหรับมนุษย์

ดาวแคระแดงมีอายุยืนยาวกว่านั้นมากต้องขอบคุณพาร์ซิเมนต์ที่พวกมันใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ สำหรับวัตถุประสงค์ของเวลาที่เราพบดาวแคระแดงจะคงอยู่ตลอดไปเพราะเวลาที่ใช้ในการทำลายไฮโดรเจนจากนิวเคลียสนั้นเกินอายุโดยประมาณของจักรวาล

ยังไม่มีดาวแคระแดงเสียชีวิตดังนั้นสิ่งที่สามารถคาดเดาได้ว่าพวกมันมีชีวิตอยู่นานแค่ไหนและจุดจบของพวกมันจะเป็นอย่างไรเนื่องจากการจำลองแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ที่สร้างขึ้นด้วยข้อมูลที่เรามีเกี่ยวกับพวกมัน

จากแบบจำลองเหล่านี้นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าเมื่อดาวแคระแดงหมดไฮโดรเจนมันจะเปลี่ยนเป็นดาวแคระน้ำเงิน

ไม่มีใครเคยเห็นดาวประเภทนี้ แต่เมื่อไฮโดรเจนหมดลงดาวแคระแดงจะไม่ขยายตัวเป็นดาวยักษ์แดงเหมือนอย่างที่ดวงอาทิตย์ของเราจะเกิดขึ้นในวันหนึ่ง เพียงแค่เพิ่มกัมมันตภาพรังสีและด้วยอุณหภูมิพื้นผิวทำให้เปลี่ยนเป็นสีน้ำเงิน

องค์ประกอบของดาวแคระแดง

องค์ประกอบของดวงดาวมีความคล้ายคลึงกันมากโดยส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจนและฮีเลียมลูกใหญ่ พวกมันยังคงรักษาองค์ประกอบบางส่วนที่มีอยู่ในก๊าซและฝุ่นที่ก่อให้เกิดพวกมันดังนั้นจึงมีร่องรอยขององค์ประกอบที่ดาวก่อนหน้าช่วยสร้างขึ้นด้วย

ด้วยเหตุนี้องค์ประกอบของดาวแคระแดงจึงคล้ายกับดวงอาทิตย์แม้ว่าเส้นสเปกตรัมจะแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากอุณหภูมิ ดังนั้นหากดาวดวงหนึ่งมีเส้นไฮโดรเจนที่อ่อนแอก็ไม่ได้หมายความว่าจะไม่มีธาตุนี้

ในดาวแคระแดงมีร่องรอยของธาตุอื่น ๆ ที่หนักกว่าซึ่งนักดาราศาสตร์เรียกว่า "โลหะ"

ในทางดาราศาสตร์คำจำกัดความนี้ไม่ตรงกับสิ่งที่เข้าใจกันทั่วไปว่าเป็นโลหะเนื่องจากใช้ในที่นี้เพื่ออ้างถึงองค์ประกอบใด ๆ ยกเว้นไฮโดรเจนและฮีเลียม

การอบรม

กระบวนการสร้างดาวมีความซับซ้อนและได้รับผลกระทบจากตัวแปรมากมาย มีหลายสิ่งที่ยังไม่ทราบเกี่ยวกับกระบวนการนี้ แต่เชื่อว่าจะเหมือนกันสำหรับดาวทุกดวงตามที่อธิบายไว้ในส่วนก่อนหน้านี้

ปัจจัยที่กำหนดขนาดและสีของดาวฤกษ์ที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิคือปริมาณของสสารที่สามารถเพิ่มได้เนื่องจากแรงโน้มถ่วง

คำถามที่สร้างความกังวลให้กับนักดาราศาสตร์และยังคงต้องไขให้กระจ่างคือความจริงที่ว่าดาวแคระแดงมีองค์ประกอบที่หนักกว่าไฮโดรเจนฮีเลียมและลิเทียม

ในแง่หนึ่งทฤษฎีบิ๊กแบงคาดการณ์ว่าดาวดวงแรกที่ก่อตัวจะต้องประกอบด้วยองค์ประกอบที่เบาที่สุดสามดวงเท่านั้น อย่างไรก็ตามมีการตรวจพบธาตุหนักในดาวแคระแดง

และถ้ายังไม่มีดาวแคระแดงตายก็หมายความว่าดาวแคระแดงกลุ่มแรกที่ก่อตัวขึ้นนั้นจะต้องอยู่ที่นั่นที่ไหนสักแห่งซึ่งทั้งหมดประกอบด้วยธาตุแสง

จากนั้นดาวแคระแดงอาจก่อตัวขึ้นในภายหลังเนื่องจากจำเป็นต้องมีธาตุหนักในการสร้าง หรือว่ามีดาวแคระแดงรุ่นแรก แต่มีขนาดเล็กมากและมีความส่องสว่างต่ำจึงยังไม่ถูกค้นพบ

ตัวอย่างของดาวแคระแดง

Centauri ถัดไป

อยู่ห่างออกไป 4.2 ปีแสงและมีมวลเทียบเท่ากับหนึ่งในแปดของดวงอาทิตย์ แต่หนาแน่นกว่า 40 เท่า Proxima มีสนามแม่เหล็กแรงสูงซึ่งทำให้มีแนวโน้มที่จะลุกเป็นไฟ

Proxima ยังมีดาวเคราะห์ที่รู้จักอย่างน้อยหนึ่งดวง ได้แก่ Proxima Centauri b ซึ่งเปิดตัวในปี 2559 แต่เชื่อกันว่าถูกพัดพาแสงออกไปจากดาวฤกษ์ที่ปล่อยออกมาบ่อยครั้งดังนั้นจึงไม่น่าจะมีชีวิตอยู่ได้อย่างน้อยก็ไม่ใช่ ที่เรารู้เนื่องจากการปล่อยของดาวประกอบด้วยรังสีเอกซ์

ดาวของบาร์นาร์ด

รูปที่ 4. การเปรียบเทียบขนาดระหว่างดวงอาทิตย์ดาวบาร์นาร์ดและดาวพฤหัสบดี ที่มา: Wikimedia Commons

เป็นดาวแคระแดงที่อยู่ใกล้มากห่างออกไป 5.9 ปีแสงซึ่งมีลักษณะสำคัญคือมีความเร็วสูงประมาณ 90 กม. / วินาทีตามทิศทางของดวงอาทิตย์

สามารถมองเห็นได้ผ่านกล้องโทรทรรศน์และเช่นเดียวกับ Proxima ก็มีแนวโน้มที่จะเกิดเปลวไฟและเปลวไฟ เมื่อไม่นานมานี้มีการค้นพบดาวเคราะห์ดวงหนึ่งที่โคจรรอบดาวบาร์นาร์ด

ทีการ์เด้นสตาร์

ดาวแคระแดงที่มีมวลเพียง 8% ของดวงอาทิตย์นี้อยู่ในกลุ่มดาวราศีเมษและสามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังเท่านั้น อยู่ในหมู่ดาวที่ใกล้ที่สุดโดยห่างกันประมาณ 12 ปีแสง

ค้นพบในปี 2545 และนอกจากจะมีการเคลื่อนไหวที่น่าทึ่งของตัวมันเองแล้วยังมีดาวเคราะห์อยู่ในเขตที่อยู่อาศัย

หมาป่า 359

เป็นดาวแคระแดงแปรผันในกลุ่มดาวราศีสิงห์และอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ของเราเกือบ 8 ปีแสงเนื่องจากเป็นดาวที่มีความผันแปรความส่องสว่างของมันจะเพิ่มขึ้นเป็นระยะ ๆ แม้ว่าแสงแฟลร์ของมันจะไม่รุนแรงเท่าของ Proxima Centauri ก็ตาม

อ้างอิง

Adams, F. คนแคระแดงและจุดสิ้นสุดของลำดับหลัก กู้คืนจาก: astroscu.unam.mx.
Carroll, B. บทนำสู่ฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่. ครั้งที่ 2 ฉบับ เพียร์สัน
จักรวาล. คนแคระแดง สืบค้นจาก: Astronomy.swin.edu.au.
Martínez, D. วิวัฒนาการของดาวฤกษ์ ดึงมาจาก: Google Books.
Taylor, N. Red Dwarfs: ดาวที่พบมากที่สุดและมีอายุยืนยาวที่สุด ดึงมาจาก: space.com.
Fraknoi น. สเปกตรัมแห่งดวงดาว (และคนแคระน้ำตาล). สืบค้นจาก: phys.libretexts.org.

ดาวแคระแดง: การค้นพบลักษณะวิวัฒนาการองค์ประกอบ - ARTE - 2025