εικόνα 1: φωτογραφία με τις ακτίνες Χ από Cassiopeia A (από Chandra X-ray Observatory)

Η έκρηξη των αστεριών στέλνει χημικά στοιχεία που πετούν στο διάστημα

Πήρες ασβέστιο;

πηγή: https://imagine.gsfc.nasa.gov/educators/calcium/calcium_intro.html

O Γαλαξίας μας δεν περιέχει  γάλα! Αλλά σίγουρα περιέχει πολύ ασβέστιο. Υπάρχει αρκετό ασβέστιο που “επιπλέει” μεταξύ των αστεριών για να ενισχύσει τρισεκατομμύρια των τρισεκατομμυρίων γαλόνια γάλακτος.

 Το ασβέστιο προέρχεται από αστέρια. Στην πραγματικότητα, όλα τα στοιχεία που συνθέτουν το σώμα σας και τον ίδιο τον πλανήτη Γη, εκτός από το υδρογόνο και το ήλιο, κατασκευάστηκαν σε αστέρια ή κατά τη διάρκεια εκρήξεων τεράστιων αστεριών.

Τα αστέρια είναι σαν ισχυρά ατομικά εργοστάσια. Συνδυάζουν το υδρογόνο και το ήλιο μέσω μιας διαδικασίας πυρηνικής σύντηξης, η οποία παράγει μια τεράστια ποσότητα θερμικής ενέργειας. Εκτός από την ενέργεια, η διαδικασία σύντηξης σε τεράστια αστέρια (αστέρια που έχουν περισσότερο από 8 φορές τη μάζα του ήλιου μας) έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία άνθρακα, άζωτο, σίδηρο και άλλα άτομα. Καθώς ο σίδηρος συσσωρεύεται στον αστρικό πυρήνα, η διαδικασία σύντηξης δεν παράγει πλέον θερμική ενέργεια. Σε αυτό το σημείο στη ζωή ενός τεράστιου αστεριού, ο πυρήνας καταρρέει και το αστέρι εκρήγνυται, στέλνοντας όλα αυτά τα άτομα στο διάστημα. Μερικά άτομα συγκρούονται μεταξύ τους κατά τη έκρηξη, συντήκονται για να δημιουργήσουν ακόμη βαρύτερα άτομα όπως χρυσό, ασήμι και ουράνιο. Αυτά τα άτομα εξαπλώθηκαν στον γαλαξία κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών.

Η Cassiopeia A είναι ένα αστέρι που εξερράγη πριν από περίπου 320 χρόνια. Κανένας αστρονόμος δεν κατέγραψε την έκρηξη εκείνη την εποχή, αλλά μπορούμε ακόμα να δούμε τα απομεινάρια της έκρηξης σήμερα, με τη μορφή ενός πολύχρωμου υπολείμματος σουπερνόβα. Μελετώντας την κίνηση των αερίων σε αυτό που απέμεινε, οι αστρονόμοι βγάζουν συμπεράσματα για την ηλικία του.Το Παρατηρητήριο του Ινστιτούτου Τεχνολογίας του Michigan-Dartmouth-Massachusetts στο Kitt Peak της Αριζόνας, κατέγραψε μια όμορφη εικόνα της Κασσιόπης Α σε ορατό φως (εικόνα 2). Σε μια εικόνα που δημιουργήθηκε σε πάνω από ένα εκατομμύριο δευτερόλεπτα, ο Chandra X-ray Observatory, ένας δορυφόρος που περιστρέφεται γύρω από τη γη, κατέγραψε τις ακτίνες Χ που εκπέμπει το αέριο που απέμεινε από την έκρηξη (εικόνα 1) και μπόρεσε επίσης να “δει” τα μεμονωμένα στοιχεία μέσα σε αυτή την έκρηξη. Για παράδειγμα, οι ερευνητές στο Goddard Space Flight Center της NASA δημιούργησαν μια εικόνα που δείχνει μόνο το στοιχείο ασβέστιο (εικόνα 3).

εικόνα 2: Ορατό φως από την Cassiopeia A (εικόνα από τηλεσκόπιο στη Γη)

εικόνα 3: Εικόνα ακτίνων Χ που δείχνει μόνο το ασβέστιο που υπάρχει στην Cassiopeia A (από Chandra X-ray Observatory)

Για την τάξη:

Πόσο ασβέστιο έδωσε η Cassiopeia A;

Χρησιμοποιήστε τις ακόλουθες πληροφορίες για να μάθετε:

Το αστέρι που έδωσε το απομεινάρι του σουπερνόβα Cassiopeia A είχε περίπου 20 φορές μεγαλύτερη μάζα από τον  Ήλιο μας που έχει μάζα 2^.10³⁰Kg. Αποτελούνταν σε μεγάλο βαθμό από υδρογόνο, αλλά περιείχε επίσης ασβέστιο και άλλα στοιχεία. Όταν το αστέρι εξερράγη, το ασβέστιο και άλλα στοιχεία που παράγονται από τη σύντηξη κατά τη διάρκεια της ζωής του αστεριού πετούν στο διάστημα. Η έκρηξη δημιουργεί ακόμη μεγαλύτερη ποσότητα  από αυτά  και ταυτόχρονα  δημιουργεί άλλα στοιχεία. Η συνολική ποσότητα ασβεστίου είναι ίση με περίπου 0,05% της μάζας του αρχικού άστρου. Ένα ποτήρι γάλα (237 ml) περιέχει περίπου 300 mg ασβεστίου.

(θεωρείστε ότι η πυκνότητα του γάλακτος είναι 1gr/ml)

Χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες,

1) Πόσα κιλά ασβεστίου βρίσκονται σε ένα τυπικό υπόλειμμα σουπερνόβα, όπως το Cassiopeia A;

2) Πόσα ποτήρια γάλα των 237ml θα ισοδυναμούσαν;

3) Πόσες μέρες πρέπει να αρμεχθούν οι αγελάδες στις Ηνωμένες Πολιτείες για να παράγουν αυτόν τον αριθμό ποτηριών γάλακτος;

Δίνεται ότι στις ΗΠΑ υπάρχουν 8,44 εκατομμύρια αγελάδες και ότι μια μέση αγελάδα παράγει 816,5Κg γάλα το μήνα (θεωρείστε ότι ένας μήνας έχει 30 μέρες)

4) Μετατρέψτε τις μέρες που βρήκατε σε χρόνια. Συγκρίνεται την τιμή που βρήκατε με την ηλικία του σύμπαντος. Την πληροφορία θα την βρείτε στο διαδίκτυο

Ενδεικτικές λύσεις:

       1.m_{αστεριού}=20^.2^.10³⁰Kg=40^.10³⁰Kg

m_{ασβεστίου}=0,05^.10^-2.40^.10³⁰Kg=2^.10²⁸Kg ασβεστίου

2. ποτήρια=2^.10²⁸10³g/300^.10^-3g=6,7^.10³¹
3. η αγελάδα παράγει 816,5Kg το μήνα άρα 816,5Kg:30=27,2Kg/ημέρα

άρα η κάθε αγελάδα παράγει 27,2Kg/237.10^-3Kg=114 ποτήρια την ημέρα

τότε όλες οι αγελάδες παράγουν την ημέρα 8,44^.10^6.114=9,62^.10⁸  ποτήρια την ημέρα

τελικά τα 6,7.10³¹ ποτήρια θα τα παράγουν σε 6,7.10³¹/9,62^.10⁸  =6,9^.10²²μέρες

άρα 6,9^.10²²/365=20.10¹⁹έτη

το σύμπαν έχει ηλικία 13,7.10⁹ έτη άρα…

Οι μαθητές του Ομίλου Φυσικών Επιστημών 2020-2021: “Φυσικές Επιστήμες: πείραμα και θεωρία” : Αλεξίου Δημήτριος, Ζελοβίτης Παναγιώτης, Κολιάκη Μαρκέλλα, Λαμπρίδη Έλλη,  Μαμουλής Βασίλειος,  Μάντζιου Φωτεινή, Νάκος Μάξιμος, Παπαστεφάνου Δημήτριος, Πατρώνης Εμμανουήλ,  Καραμάνη Μαριάννα