ستاره‌ای با جرم دلخواه شما چطور به دنیا می‌آید، چقدر می‌ماند و چطور می‌میرد؟

ستاره در تمام عمرش میان دو نیرو تعادل نگه می‌دارد: گرانش که می‌خواهد آن را فرو بریزد، و فشار گاز داغی که همجوشی در هسته گرمش نگه می‌دارد. ستارهٔ سنگین‌تر برای ایستادن در برابر وزن بیشترش هسته‌ای داغ‌تر لازم دارد، و در هستهٔ داغ‌تر همجوشی هسته‌ای بسیار تندتر پیش می‌رود (اخترشناسان به آن «سوختن» می‌گویند، ولی آتش و اکسیژنی در کار نیست): ده برابر جرم یعنی چند هزار برابر درخشندگی. برای همین ستاره‌ای ده برابر خورشید با ده برابر سوخت، آن را در حدود ۲۰ میلیون سال تمام می‌کند؛ خورشید در حدود ۱۰ میلیارد سال؛ و کوتولهٔ سرخی به جرم یک‌دهم خورشید هزاران میلیارد سال می‌سوزد، بسیار بیشتر از سن امروز کیهان.

وقتی هیدروژن هسته تمام می‌شود، هسته منقبض و داغ‌تر می‌شود و لایه‌های بیرونی باد می‌کنند: ستاره غول سرخ می‌شود. ستاره‌ای مثل خورشید تا کربن و اکسیژن پیش می‌رود و همان‌جا می‌ماند؛ لایه‌های بیرونی‌اش سحابی سیاره‌نما می‌شوند و هسته‌اش کوتولهٔ سفیدی به اندازهٔ زمین، که فشار الکترون‌های فشرده نگهش داشته است؛ این فشار تنها تا حدود ۱٫۴ جرم خورشید (حد چاندراسکار) بس است. ستارهٔ سنگین‌تر از حدود ۸ تا ۱۰ خورشید عنصرهای سنگین‌تر را هم می‌سوزاند تا به آهن برسد. از همجوشی آهن دیگر انرژی بیرون نمی‌آید، پس وقتی هستهٔ آهنی از حدود همان ۱٫۴ جرم خورشید سنگین‌تر شد، در کسری از ثانیه فرو می‌ریزد و ابرنواختر رخ می‌دهد. آنچه می‌ماند ستارهٔ نوترونی است، یا اگر ستاره از حدود ۲۰ تا ۲۵ خورشید سنگین‌تر بوده، سیاه‌چاله؛ این مرز تقریبی است و هنوز دقیق روشن نیست.

نمودار هرتسپرونگ–راسل هر ستاره را با دو عدد جا می‌دهد: دمای سطح در محور افقی (داغ‌ترها در چپ، به رسم صد سالهٔ اخترشناسان) و درخشندگی در محور عمودی، هر دو لگاریتمی. خط‌های مورب خط‌چین ستاره‌های هم‌اندازه‌اند، چون درخشندگی از شعاع و دما می‌آید (L = 4πR²σT⁴). رشتهٔ اصلی این صحنه از جدولی ساخته شده که رابطه‌های تقریبی کتاب‌های درسی را دنبال می‌کند: درخشندگی حدود M^3.5 با شکست در دو سر بازه، شعاع حدود M^0.8 و دما از این دو. عمر رشتهٔ اصلی از مدل‌های تکامل ستاره‌ای منتشرشده گرفته شده: کوتوله‌های سرخ از Laughlin و همکاران (۱۹۹۷؛ یک‌دهم خورشید حدود ۶ هزار میلیارد سال)، نزدیک خورشید از شبکهٔ ژنو (Ekström و همکاران، ۲۰۱۲) و سنگین‌ترها از Schaller و همکاران (۱۹۹۲)؛ درخشندگی ستاره‌های سنگین کندتر از M^3.5 بالا می‌رود و عمرشان به حدود ۴ تا ۵ میلیون سال می‌رسد. خورشید امروز با ۴٫۶ میلیارد سال، درخشندگی ۱، شعاع ۱ و دمای ۵۷۷۲ کلوین تنظیم شده است.

پس از رشتهٔ اصلی، مسیر هر ستاره از چند نقطهٔ کلیدی ساخته شده که جا، زمان و جرمشان با جرم ستاره تغییر می‌کند، و صحنه میانشان را درون‌یابی می‌کند: زیرغول، نوک شاخهٔ غول‌ها، درخشش هلیوم، تودهٔ سرخ یا حلقهٔ آبی، شاخهٔ مجانبی، سحابی سیاره‌نما و کوتولهٔ سفید؛ یا برای ستاره‌های سنگین ابرغول، سوختن کربن، نئون، اکسیژن و سیلیسیم (زمان‌ها از Woosley و همکاران، ۲۰۰۲)، ابرنواختر، و ستارهٔ نوترونی یا سیاه‌چاله. مرزها تقریبی‌اند: زیر حدود ۰٫۲ جرم خورشید ستاره هرگز غول نمی‌شود، زیر حدود ۰٫۵ هلیوم هرگز روشن نمی‌شود، تا حدود ۸ کوتولهٔ سفید می‌ماند (مرز واقعی جایی میان ۸ تا ۱۰ است) و تا حدود ۲۲ ستارهٔ نوترونی؛ مرز واقعی نوترونی و سیاه‌چاله جایی میان ۲۰ تا ۲۵ است، هنوز روشن نیست و شاید اصلاً یک خط ساده نباشد: مدل‌های تازه برای بعضی جرم‌های بالاتر هم ستارهٔ نوترونی می‌دهند. جرم کوتولهٔ سفید از رابطهٔ جرم آغازین و پایانی (Kalirai و همکاران، ۲۰۰۸)، شعاعش از رابطهٔ جرم و شعاع ناونبرگ و سرد شدنش از قانون مِستل (درخشندگی متناسب با t^-1.4) است. چرخش ستاره، ستارهٔ همدم، ترکیب شیمیایی (همه هم‌ترکیب خورشیدند) و جزئیات بادهای ستاره‌ای که این مرزها را جابه‌جا می‌کنند در مدل نیستند.

نوار زمان لگاریتمی است: هر مرحله به اندازهٔ لگاریتم طولش جا دارد تا سیلیسیم‌سوزیِ چندروزه هم کنار رشتهٔ اصلیِ میلیاردساله دیده شود؛ نوار باریک زیر آن همان زندگی را به مقیاس واقعی زمان نشان می‌دهد، که در آن رشتهٔ اصلی تقریباً همه‌چیز است. ستارهٔ کنار خورشید رنگ جسم سیاهی با همان دما را دارد، اندازه‌اش تا اندازهٔ خورشید به مقیاس واقعی است و از آن بزرگ‌تر لگاریتمی، تا ابرغولی هزار برابر خورشید هم در قاب بماند. برش درون ستاره به مقیاس نیست: هسته‌ها در ستارهٔ واقعی هزاران بار کوچک‌تر از پوشش بیرونی‌اند و اینجا بزرگ شده‌اند تا لایه‌ها و پوسته‌های در حال همجوشی دیده شوند. دایرهٔ «مدار زمین» در قاب اندازه فاصلهٔ زمین تا خورشید است که با کم شدن جرم ستاره باز می‌شود، چون گرانش ستاره سست‌تر می‌شود. جای ستاره‌های نام‌دار روی نمودار از اندازه‌گیری‌های منتشرشده است و جرمشان تخمینی است؛ با زدن هر کدام، صحنه جرمش را می‌گذارد و نزدیک‌ترین لحظهٔ مسیر را به جای واقعی‌اش پیدا می‌کند. مسیر هر ستاره بازسازی دقیق یک جرم رصدشده نیست؛ برای ستارهٔ انتخابی نزدیک‌ترین نقطهٔ این مدل آموزشی نمایش داده می‌شود. باقی‌مانده‌های ستاره‌ای در این شبیه‌سازی پایان زمانی ندارند؛ این به معنی جاودانگی فیزیکی آن‌ها نیست.