Στον πυρήνα του Ήλιου, η θερμοκρασία και η πίεση είναι τόσο υψηλές ώστε να πραγματοποιούνται πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης, με το υδρογόνο να μετατρέπεται σε ήλιο⁽¹⁾. Αυτή η αλληλουχία των πυρηνικών αντιδράσεων απελευθερώνει τεράστια ποσά ενέργειας με την μορφή ακτίνων γάμμα.

Εξαιτίας των ακραίων θερμοκρασιών η ύλη στο εσωτερικό του Ήλιου βρίσκεται σε κατάσταση πλάσματος – μια ασύλληπτα πυκνή «σούπα» από ελεύθερα ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Γι’ αυτόν ακριβώς τον λόγο, η ορατότητα στο εσωτερικό του Ήλιου είναι ελάχιστη. Θεωρούμε ότι η ύλη και το πεδίο ακτινοβολίας βρίσκονται σε κατάσταση πολύ κοντά στη θερμοδυναμική ισορροπία μεταξύ τους. Το θερμικό πεδίο ακτινοβολίας, το οποίο αντιστοιχεί σε μια κεντρική θερμοκρασία 15 εκατομμυρίων βαθμών, αποτελείται κατά κύριο λόγο από ακτίνες Χ, όπως αποδεικνύεται εύκολα μέσω του νόμου του Wien. Επειδή οι ακτίνες Χ και γ αλληλεπιδρούν έντονα με την ύλη, στο εσωτερικό του Ήλιου διανύουν κατά μέσο όρο μόλις μισό εκατοστό πριν συγκρουστούν και, στη συνέχεια, είτε επανεκπεμφθούν είτε σκεδαστούν σε τελείως διαφορετική κατεύθυνση. Αυτό σημαίνει ότι ακόμα και ο Σούπερμαν δεν θα μπορούσε να δει πέρα από τη μύτη του, αν πετούσε στο εσωτερικό του Ήλιου! Γενικά, οι συνθήκες στο εσωτερικό του Ήλιου – αλλά και σε άλλα άστρα – θυμίζουν μια καυτή κόλαση. Υπάρχει μια αδιάκοπη αλληλεπίδραση σωματιδίων και φωτονίων που κινούνται χαοτικά, συγκρούονται βίαια μεταξύ τους, ή τα φωτόνια απορροφώνται από την ύλη και επανεκπέμπονται, ώστε τελικά να φαίνεται ότι έχουν ελάχιστη συνολική μετατόπιση προς οποιαδήποτε κατεύθυνση.

Ο πρώτος που αντιλήφθηκε ότι υπάρχει ένα μικρό, συστηματικό αποτέλεσμα σε αυτόν τον –φαινομενικά– τρελό χορό των φωτονίων μέσα σε άστρα σαν τον Ήλιο ήταν ο αστροφυσικός Έντινγκτον⁽²⁾. Αυτή η κίνηση των φωτονίων ονομάζεται σήμερα «τυχαίος βηματισμός» και πρέπει να διακρίνεται σαφώς από την ελεύθερη πτήση. Διαμέσου αυτού του τυχαίου βηματισμού, ένα φωτόνιο απομακρύνεται βαθμιαία από το κέντρο του Ήλιου διαγράφοντας μια πορεία ζικ-ζακ, μέχρι να καταλήξει στην επιφάνεια. Κατά την διάρκεια αυτής της βασανιστικής διαδρομής, αλληλεπιδρά συνεχώς με την ύλη και μετασχηματίζεται εξαιτίας της σκέδασης Compton⁽³⁾. Μέσω αυτού του φαινομένου, τα φωτόνια συγκρούονται με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του πλάσματος, αλλάζοντας συνεχώς με τυχαίο τρόπο κατεύθυνση και χάνοντας σταδιακά μέρος της ενέργειάς τους σε κάθε σύγκρουση.

Ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, τα φωτόνια κατά μέσο όρο «υποβαθμίζονται», καθώς από υψηλής ενέργειας φωτόνια ακτίνων Χ, που είναι χαρακτηριστικά της κεντρικής θερμοκρασίας των K, μετατρέπονται σε φωτόνια του ορατού φωτός, χαρακτηριστικά της ενεργού θερμοκρασίας των 5.800 Κ στην επιφάνεια του άστρου. Αυτή η ενεργειακή υποβάθμιση των φωτονίων υψηλής ποιότητας (ακτίνων Χ και γ) σε οπτικά φωτόνια σχετικά «χαμηλότερης» ποιότητας, η οποία προκύπτει από τη διαδικασία της διάχυσης προς την επιφάνεια, είναι απολύτως αναμενόμενη βάσει του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.

Για να σχηματίσουμε μια ιδέα για το πόσο βασανιστική είναι αυτή η διαδρομή, αρκεί να αναφέρουμε ότι ο τυπικός χρόνος διάχυσης ενός φωτονίου μέσω του «τυχαίου βηματισμού» από το κέντρο του Ήλιου έως την επιφάνειά του εκτιμάται στα 30.000 χρόνια⁽⁴⁾. Αυτό το νούμερο προκαλεί δέος, αν αντιπαρατεθεί με τα 2 δευτερόλεπτα περίπου που θα χρειαζόταν το φωτόνιο για να διασχίσει την ίδια απόσταση αν κινούνταν ελεύθερα σε ευθεία γραμμή! Είναι ακριβώς αυτή η εξαιρετικά αργή, προς τα έξω κίνηση των φωτονίων που ρυθμίζει και διατηρεί την λαμπρότητα του Ήλιου στη σταθερή τιμή των erg/sec.

Αν δεν υπήρχε το φαινόμενο Compton να μειώνει την ενέργεια των φωτονίων στο εσωτερικό των άστρων όπως ο Ήλιος, στο σύμπαν μας θα πλειοψηφούσαν οι θανατηφόρες ακτινοβολίες που παράγονται στο εσωτερικό των άστρων. Οι ακτινοβολίες γ και Χ δεν είναι ασυμβίβαστες μόνο με την ζωή, αλλά και με την ίδια την ύπαρξη ύλης σε ατομική ή σε μοριακή μορφή. Έχουν ενέργειες της τάξης των εκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ (MeV), ικανές όχι απλώς να διαλύσουν τα άτομα στα ηλεκτρόνια και στους πυρήνες τους, αλλά να διαλύσουν και τους ίδιους τους πυρήνες.

Τα επικίνδυνα για τη ζωή υψηλής ενέργειας φωτόνια βασανίζονται για χιλιάδες χρόνια στην κόλαση του Ήλιου, υφίστανται μεταξύ άλλων και αμέτρητες σκεδάσεις Compton, μέχρι οι υψηλές τους ενέργειες να πέσουν λίγο χαμηλότερα από το κατώφλι των χημικών αντιδράσεων, ώστε αυτά να έχουν μεν αρκετή ενέργεια για να κάνουν χρήσιμο βιολογικό έργο, όχι όμως να προκαλούν χημικές αντιδράσεις οι οποίες θα διασπούσαν ξανά τα πολύτιμα μόρια που κάνουν δυνατή την ύπαρξη της ζωής στη Γη.

πηγές:
1. Frank Shu, Aστροφυσική – Δομή και εξέλιξη του Σύμπαντος
2. Στέφανος Τραχανάς, Κβαντομηχανική Λυκείου

⁽¹⁾ Στο εσωτερικό των άστρων όπως ο Ήλιος παράγεται ενέργεια από μια σειρά διαδοχικών πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης που ονομάζεται κύκλος σύντηξης πρωτονίου-πρωτονίου. Το συνολικό αποτέλεσμα αυτών των πυρηνικών αντιδράσεων είναι η παραγωγή ενός πυρήνα ηλίου από τέσσερις πυρήνες υδρογόνου (πρωτόνια): 4 ¹H → ⁴Ηe + 26.73 MeV
⁽²⁾ Ο Arthur Eddington είναι ο αστροφυσικός που όταν ένας δημοσιογράφος τον ρώτησε αν αληθεύει το γεγονός ότι την θεωρία της σχετικότητας κατανοούν μόνο τρεις άνθρωποι στον κόσμο, τότε εκείνος κοντοστάθηκε και αφού σκέφτηκε για λίγη ώρα απάντησε: «προσπαθώ να βρω ποιος είναι ο τρίτος»!
⁽³⁾ Το φαινόμενο Compton περιγράφει την κρούση ενός φωτονίου υψηλής ενέργειας (ακτίνας Χ ή γ) με ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Στη σύγκρουση αυτή, το φωτόνιο μεταβιβάζει ένα μέρος της ενέργειάς του στο ηλεκτρόνιο και σκεδάζεται σε νέα κατεύθυνση. Σύμφωνα με το πείραμα Compton, το σκεδαζόμενο φωτόνιο έχει μικρότερη ενέργεια, άρα μεγαλύτερο μήκος κύματος από το αρχικό:
⁽⁴⁾ Η μέση ελεύθερη διαδρομή ορίζεται ως η μέση απόσταση που ταξιδεύει ένα φωτόνιο προτού συγκρουστεί με ένα ηλεκτρόνιο. Αν θεωρήσουμε την μέση πυκνότητα του Ήλιου ίση με 1,4 gr/cm³ και την μέση θερμοκρασία του Κ, τότε αποδεικνύεται ότι η μέση ελεύθερη διαδρομή του φωτονίου είναι περίπου cm. Η μέση ελεύθερη διαδρομή σχετίζεται με τον χρόνο που διαρκεί η τυχαία διαδρομή του φωτονίου στο εσωτερικό του Ήλιου με την εξίσωση: , όπου R η ακτίνα του Ήλιου και c η ταχύτητα του φωτός. Αντικαθιστώντας τις αριθμητικές τιμές σ’ αυτόν τον τύπο παίρνουμε t=31.000 χρόνια! Στην πραγματικότητα, δεν είναι το ίδιο φωτόνιο που επιβιώνει σ΄αυτό το μακροχρόνιο ταξίδι. Εκτός από τις συνεχείς σκεδάσεις Compton, συμβαίνουν κι άλλα φαινόμενα – για παράδειγμα τα φωτόνια μπορεί να απορρροφηθούν πλήρως από το πλάσμα μεταφέροντας την ενέργειά τους στην ύλη. Η (σχεδόν) θερμοδυναμική ισορροπία διατηρείται καθώς το πλάσμα επανεκπέμπει διαρκώς νέα φωτόνια. Επειδή όμως τα στρώματα προς την επιφάνεια γίνονται όλο και ψυχρότερα, από την επιφάνεια του Ήλιου εκπέμπονται πολλά νέα φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας που αντιστοιχούν στην ενέργεια ενός φωτονίου (γ ή Χ) υψηλής ενέργειας.

Κατηγορίες:ΑΣΤΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ, ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ

Ετικέτες: COMPTON, Η ΑΣΚΗΣΗ ΤΗΣ ΕΒΔΟΜΑΔΑΣ, PHYSICS