Je na nich niečo, čo nás všetkých fascinuje. Mnohé z náboženstiev ľudstva môžu byť spojené s uctievaním týchto nebeských sviečok. Pre Egypťanov bolo slnko predstaviteľom Boha Ra, ktorý každý deň porazil noc a priniesol svetlo a teplo do zeme. Pre Grékov bol to Apollo, ktorý riadil svoj planúci voz na oblohe a osvetľoval svet. Dokonca aj v kresťanstve možno povedať, že Ježiš je predstaviteľom slnka vzhľadom na výrazné vlastnosti jeho príbehu so starými astrologickými presvedčeniami a postavami. V skutočnosti mnohé starodávne presvedčenie nasledujú podobnú cestu, z ktorej všetky spájajú svoj pôvod s uctievaním slnka a hviezd.
Ľudstvo prosperovalo z hviezd na nočnej oblohe, pretože rozpoznali koreláciu v vzore, v ktorom určité hviezdne útvary (známe ako konštelácie) predstavovali konkrétne časy v ročnom cykle. Jeden z nich znamenal, že sa čoskoro stane teplejším, čo vedie k výsadbe potravín. Ostatné konštelácie predpovedali príchod a
chladnejšie obdobie, takže ste mohli začať ukladať jedlo a zbierať palivové drevo. Hviezdy sa posunuli vpred na ceste ľudstva a potom sa stali spôsobom, ako sa orientovať. Plachtenie hviezdami bolo cestou, ako sa obísť, a nášmu včasnému prieskumu vďačíme za pochopenie konštelácií. Ľudské oči sa po mnoho desiatok tisíc rokov pozerali smerom nahor k nebesiam, až donedávna sme celkom nedávno začali chápať, čo sú to hviezdy, odkiaľ pochádzajú a ako žijú a umierajú. To je to, o čom budeme diskutovať v tomto článku. Poďte so mnou, keď sa púšťame hlboko do vesmíru a svedectvo fyziky píše veľké, pretože zakrývam to, ako sa hviezda rodí, žije a nakoniec zomiera.
Našou cestou sa vydávame na cestu do vesmíru a hľadáme niečo zvláštne. Hľadáme jedinečnú štruktúru, v ktorej sú prítomné správne okolnosti a prísady. Hľadáme to, čo astronóm nazýva temná hmlovina. Určite ste už počuli o hmlovinách a nepochybovali ste o nich. Mnohé z úžasných snímok, ktoré získal Hubbleov vesmírny teleskop, sú nádherné oblaky plynu, ktoré žiaria na pozadí miliárd hviezd. Ich farby siahajú od tmavo červenej, až po žiarivé modré a dokonca aj niektoré strašidelné zelené. Toto nie je druh hmloviny, ktorú hľadáme. Hmlovina, ktorú potrebujeme, je tmavá, nepriehľadná a veľmi, veľmi chladná.
Môžete si položiť otázku: „Prečo hľadáme niečo temné a studené, keď sú hviezdy jasné a horúce?“
Naozaj je to niečo, čo by sa na prvý pohľad javilo ako zarážajúce. Prečo musí byť niečo najprv chladné, aby sa mohlo stať extrémne horúcim? Najprv musíme pokryť niečo elementárne o tom, čo nazývame medzihviezdnym médiom (ISM) alebo medzerou medzi hviezdami. Priestor nie je prázdny, ako naznačuje jeho názov. Priestor obsahuje plyn aj prach. Plyn, o ktorom hovoríme, je vodík, najhojnejším prvkom vo vesmíre. Pretože vesmír nie je jednotný (rovnaká hustota plynu a prachu na každý meter kubický), existujú vrecká priestoru, ktoré obsahujú viac plynu a prachu ako iné. To spôsobuje, že gravitácia manipuluje s týmito vreckami, aby sa spojili a vytvorili to, čo vidíme ako hmloviny. Pri výrobe týchto rôznych hmlovín ide veľa vecí, ale tá, ktorú hľadáme, Temná hmlovina, má veľmi zvláštne vlastnosti. Teraz sa ponorme do jednej z týchto Temných hmlovín a uvidíme, čo sa deje.
Keď zostupujeme cez vonkajšie vrstvy tejto hmloviny, zistíme, že teplota plynu a prachu je veľmi nízka. V niektorých hmlovinách sú teploty veľmi horúce. Čím viac častíc naráža do seba, vzrušených absorpciou a emisiou vonkajšieho a vnútorného žiarenia, znamená to vyššie teploty. V tejto temnej hmlovine sa však stáva opak. Teploty ďalej klesajú do oblaku, ktorý dostaneme. Dôvod, prečo majú tieto temné hmloviny špecifické vlastnosti, ktoré sa snažia vytvoriť veľkú hviezdnu škôlku, sa musí zaoberať základnými vlastnosťami hmloviny a typu oblasti, v ktorej oblak existuje, a má s ním spojené niektoré zložité koncepcie, ktoré nebudem plne ilustrovať. tu. Zahŕňajú oblasť, v ktorej sa tvoria molekulárne oblaky, ktoré sa nazývajú neutrálne vodíkové oblasti, a vlastnosti týchto oblastí sa musia zaoberať hodnotami spinov elektrónov, spolu s interakciami magnetického poľa, ktoré ovplyvňujú uvedené elektróny. Znaky, ktoré budem pokrývať, umožňujú to, aby táto mlhovina bola zrelá na vytvorenie hviezd.
Okrem zložitej vedy, ktorá stojí za vytvorením týchto hmlovín, sa môžeme začať zaoberať prvou otázkou, prečo sa musíme ochladiť, aby sme sa zahriali. Odpoveď príde na gravitáciu. Keď sú častice zohriate alebo vzrušené, pohybujú sa rýchlejšie. Oblak s dostatočnou energiou bude obsahovať príliš veľa hybnosti medzi jednotlivými prachovými a plynnými časticami na to, aby sa vyskytol akýkoľvek typ útvaru. Rovnako ako v prípade, ak sa prachové zrnká a atómy plynov pohybujú príliš rýchlo, jednoducho sa odrazia od seba alebo len zastrelia okolo seba, nikdy nedosiahnu akýkoľvek druh väzby. Bez tejto interakcie nikdy nemôžete mať hviezdu. Ak sú však teploty dostatočne chladné, častice plynu a prachu sa pohybujú tak pomaly, že ich vzájomná gravitácia im umožní, aby sa mohli „zlepiť“ k sebe. Je to tento proces, ktorý umožňuje vzniku protostar.
Všeobecne to, čo dodáva energiu, aby sa umožnil rýchlejší pohyb častíc v týchto molekulárnych oblakoch, je žiarenie. Samozrejme, vo vesmíre prichádza žiarenie zo všetkých smerov. Ako vidíme u iných hmlovín, žiaria energiou a hviezdy sa nenarodia medzi týmito mrakmi horúcich plynov. Ohrieva sa vonkajším žiarením iných hviezd a vlastným vnútorným teplom. Ako táto temná hmlovina zabraňuje vonkajšiemu žiareniu v zahrievaní plynu v cloude a spôsobuje, že sa pohybuje príliš rýchlo na to, aby zachytil gravitáciu? Toto je kde
vstupuje do hry nepriehľadná povaha týchto Temných hmlovín. Nepriehľadnosť je miera toho, koľko svetla sa dokáže pohybovať cez objekt. Čím viac materiálu v objekte alebo čím je predmet hrubší, tým menej svetla ho dokáže preniknúť. Svetlo s vyššou frekvenciou (gama lúče, röntgenové lúče a UV) a dokonca aj viditeľné frekvencie sú viac ovplyvňované hustými vreckami plynu a prachu. Úspešne prenikajú také plynné oblaky, ako sú tieto, iba nízkofrekvenčné typy svetla, vrátane infračerveného žiarenia, mikrovĺn a rádiových vĺn, a dokonca sú trochu rozptýlené, takže obyčajne neobsahujú takmer dosť energie na to, aby mohli narušiť túto neistotu. proces formovania hviezd. Vnútorné časti oblakov tmavého plynu sú teda účinne „chránené“ pred vonkajším žiarením, ktoré narúša iné, menej nepriehľadné hmloviny. Čím menej žiarenia spôsobuje, že sa dostane do oblaku, tým nižšie sú teploty plynu a prachu v ňom. Chladnejšie teploty znamenajú menší pohyb častíc v oblaku, čo je kľúčové pre to, o čom budeme diskutovať ďalej.
V skutočnosti, keď zostupujeme k jadru tohto temného molekulárneho oblaku, zistíme, že menej a menej viditeľné svetlo sa dostáva do našich očí a pomocou špeciálnych filtrov vidíme, že to platí o iných frekvenciách svetla. Výsledkom je veľmi nízka teplota mraku. Stojí za zmienku, že proces formovania hviezd trvá veľmi dlho a v záujme toho, aby ste vás nečítali stovky tisíc rokov, teraz sa pohneme vpred. Za niekoľko tisíc rokov gravitácia vtiahla z okolitého molekulárneho oblaku veľké množstvo plynu a prachu, čo spôsobilo zhlukovanie. Častice prachu a plynu, ktoré sú stále chránené pred vonkajším žiarením, sa pri týchto nízkych teplotách môžu prirodzene zhromažďovať a „lepiť“. Nakoniec sa začína niečo zaujímavé. Vzájomná gravitácia tejto stále rastúcej gule plynu a prachu začína snehovú guľu (alebo hviezdnu guľu). Čím viac vrstiev plynu a prachu sa zráža spolu, tým je vnútrajšok tejto hviezdy hustejší. Táto hustota zvyšuje gravitačnú silu v blízkosti protostar, čím do nej vtiahne viac materiálu. S každým nahromadeným prachovým zrnom a vodíkom sa zvyšuje tlak vo vnútri tejto gule plynu.
Ak si pamätáte čokoľvek z akejkoľvek triedy chémie, ktorú ste kedy navštívili, môžete si pri práci s plynom pamätať na veľmi špeciálny vzťah medzi tlakom a teplotou. PV = nRT, zákon o ideálnom plyne, príde na myseľ. S výnimkou konštantnej skalárnej hodnoty 'n' a plynovej konštanty R ({8,314 J / mol x K}) a riešenia teploty (T) dostaneme T = PV, čo znamená, že teplota oblaku plynu je priamo úmerná na tlak. Ak zvýšite tlak, zvýšite teplotu. Jadro tejto skoro sa nachádzajúcej hviezdy nachádzajúcej sa v tejto temnej hmlovine sa stáva veľmi hustou a tlak prudko stúpa. Podľa toho, čo sme práve vypočítali, to znamená, že teplota tiež stúpa.
Túto hmlovinu opäť považujeme za ďalší krok. Táto hmlovina obsahuje veľké množstvo prachu a plynu (preto je nepriehľadná), čo znamená, že má veľa materiálu, aby mohla živiť našu protostar. Pokračuje v nasávaní plynu a prachu z okolitého prostredia a začína sa zahrievať. Vodíkové častice v jadre tohto objektu sa odrážajú tak rýchlo, že uvoľňujú energiu do hviezdy. Protostar začne byť veľmi horúci a teraz žiari žiarením (zvyčajne infračerveným). V tomto okamihu gravitácia stále vťahuje viac plynu a prachu, ktorý zvyšuje tlak vyvíjaný hlboko v jadre tohto protostar. Plyn Temnej hmloviny sa bude naďalej hroutiť, kým sa niečo dôležité nestane. Keď v blízkosti hviezdy nezostane na jej povrchu nič k ničomu, začne strácať energiu (kvôli vyžarovaniu ako svetlo). Keď k tomu dôjde, táto vonkajšia sila sa zníži a gravitácia sa začne rýchlejšie sťahovať. Tým sa výrazne zvyšuje tlak v jadre tohto protostar. Ako tlak stúpa, teplota v jadre dosahuje hodnotu, ktorá je rozhodujúca pre proces, ktorého sme svedkami. Jadro Protostar je tak husté a horúce, že dosahuje zhruba 10 miliónov Kelvinov. Z tohto hľadiska je táto teplota zhruba 1700x teplejšia ako povrch nášho slnka (okolo 5800 K). Prečo je tak dôležitých 10 miliónov Kelvinov? Pretože pri tejto teplote môže dôjsť k termonukleárnej fúzii vodíka a hneď po začatí fúzie sa táto novonarodená hviezda „zapne“ a roztrhne k životu, čím vysiela obrovské množstvo energie do všetkých smerov.
V jadre je tak horúce, že elektróny, ktoré sa zipsujú okolo protónových jadier vodíka, sú odizolované (ionizované) a všetko, čo máte, sú voľne sa pohybujúce protóny. Ak teplota nie je dosť horúca, tieto voľné lietajúce protóny (ktoré majú kladné náboje) sa jednoducho jeden od druhého pohnú. Avšak pri 10 miliónoch kelvinov sa protóny pohybujú tak rýchlo, že sa môžu dostať dosť blízko na to, aby umožnili prevzatie moci silným jadrovým silám, a keď sa to stane, vodíkové protóny začnú narážať do seba dostatočnou silou, aby sa spojili a vytvorili Atómy hélia a uvoľňujúce veľa energie vo forme žiarenia. Je to reťazová reakcia, ktorú je možné zhrnúť, pretože 4 protóny poskytujú 1 atóm hélia + energiu. Táto fúzia zapaľuje hviezdu a spôsobuje jej „horenie“. Energia uvoľnená touto reakciou prispieva k tomu, že iné vodíkové protóny sa poistia a tiež dodávajú energiu, aby zabránili zrúteniu hviezdy. Energia, ktorá čerpá z tejto hviezdy vo všetkých smeroch, pochádza z jadra a nasledujúce vrstvy tejto mladej hviezdy prenášajú toto teplo vlastným spôsobom (pomocou metód žiarenia a konvekcie v závislosti od toho, aký typ hviezdy sa narodil). ,
To, čoho sme boli svedkami teraz, od začiatku našej cesty, keď sme klesli do studenej temnej hmloviny, je narodenie mladej, horúcej hviezdy. Hmlovina chránila túto hviezdu pred vyžarovaním žiarenia, ktoré by tento proces narušilo, ako aj poskytnutím chladného prostredia, ktoré bolo potrebné na to, aby sa gravitácia chytila a pracovala na svojej mágii. Ako sme boli svedkami protostarovej formy, možno sme videli aj niečo neuveriteľné. Ak bude mať obsah tejto hmloviny pravdu, ako napríklad veľké množstvo ťažkých kovov a kremičitanov (ktoré zostali zo supernov predchádzajúcich, mohutnejších hviezd), mohli by sme začať vidieť, že v planetárnom disku sa odohráva planetárna tvorba. materiál okolo protostar.
Zostávajúci plyn a prach v blízkosti našej novej hviezdy by sa začali tvoriť husté vrecká rovnakým mechanizmom
gravitácia, nakoniec schopná narastať do protoplanetov, ktoré budú tvorené plynom alebo kremičitanmi a kovom (alebo ich kombináciou). Ako už bolo povedané, planetárna formácia je pre nás stále trochu tajomstvom, pretože sa zdá, že existujú veci, ktoré zatiaľ nemôžeme vysvetliť v práci. Zdá sa však, že tento model tvorby hviezdneho systému funguje dobre.
Život hviezdy nie je takmer taký vzrušujúci ako jej narodenie alebo smrť. Budeme pokračovať v rýchlom postupe vpred a budeme sledovať vývoj tohto hviezdneho systému. Počas niekoľkých miliárd rokov boli zvyšky Temnej hmloviny odfúknuté a vytvorili tiež iné hviezdy, ako bola hviezda, ktorej sme boli svedkami, a už neexistuje. Planéty, ktoré sme videli, ako sa formujú, keď Protostar rástol, začínajú tancovať svoj milión rokov okolo svojej materskej hviezdy. Možno na jednom z týchto svetov, vo svete, ktorý sedí v správnej vzdialenosti od hviezdy, existuje tekutá voda. Voda obsahuje aminokyseliny, ktoré sú potrebné pre proteíny (všetky pozostávajú z prvkov, ktoré zostali po predchádzajúcich hviezdnych erupciách). Tieto proteíny sú schopné sa spojiť a začať vytvárať reťazce RNA, potom reťazce DNA. Možno, že v jednom bode niekoľko miliárd rokov po narodení hviezdy vidíme, ako sa vesmírny druh vypúšťa do vesmíru, alebo to z rôznych dôvodov nikdy nedosiahnu a zostanú viazaní na planétu. Toto je, samozrejme, iba špekulácia pre naše pobavenie. Teraz však prichádzame na koniec našej cesty, ktorá sa začala pred miliardami rokov. Hviezda začína zomrieť.
Vodík vo svojom jadre sa taví do hélia, ktoré časom vyčerpáva vodík; hviezda dochádza plyn. Po mnohých rokoch sa proces vodíkovej fúzie zastaví a hviezda vydáva stále menej energie. Tento nedostatok vonkajšieho tlaku z procesu fúzie narušuje to, čo nazývame hydrostatická rovnováha, a umožňuje gravitácii (ktorá sa vždy snaží rozdrviť hviezdu) vyhrať. Hviezda sa rýchlo zmenšuje pod vlastnou hmotnosťou. Ale, ako sme už predtým diskutovali, s rastúcim tlakom sa zvyšuje aj teplota. Všetko to hélium, ktoré zostalo
z miliárd rokov vodíkovej fúzie sa teraz začína zahrievať v jadre. Hélium sa taví pri oveľa teplejšej teplote ako vodík, čo znamená, že jadro bohaté na hélium je možné vtlačiť dovnútra gravitáciou bez zatavenia (zatiaľ). Pretože fúzia sa nevyskytuje v jadre hélia, existuje malá alebo žiadna vonkajšia sila (uvoľnená fúziou), aby sa zabránilo zrúteniu jadra. Táto hmota sa stáva oveľa hustejšou, ktorú teraz označujeme ako degenerovanú a tlačí obrovské množstvo tepla (gravitačná energia sa stáva tepelnou energiou). To spôsobuje, že zostávajúci vodík, ktorý je v následných vrstvách nad jadrom hélia, sa spojí, čo spôsobí, že hviezda sa značne expanduje, keď sa táto vrstva vodíka vymkne spod kontroly. Vďaka tomu sa hviezda „odrazí“ a rýchlo sa rozširuje; energickejšia fúzia z vodíkových škrupín mimo jadra výrazne rozširuje priemer hviezdy. Naša hviezda je teraz červený obr. Niektoré, ak nie všetky vnútorné planéty, ktorých sme boli svedkami, budú spálené a prehltnuté hviezdou, ktorá im prvýkrát dala život. Keby sa na niektorej z tých planét vyskytol nejaký život, ktorý nedokázal opustiť svoj domovský svet, určite by boli vymazané z vesmíru, o ktorom nikdy nebudeme vedieť.
Tento proces, keď hviezda dôjde palivo (najskôr vodík, potom hélium atď.), Bude chvíľu pokračovať. Nakoniec hélium v jadre dosiahne určitú teplotu a začne sa fúzovať s uhlíkom, ktorý odloží kolaps (a smrť) hviezdy. Hviezda, ktorú momentálne sledujeme naživo a umiera, je priemerná hlavná sekvenčná hviezda, takže jej životnosť končí, keď sa dokončí fúzia hélia do
Carbon. Keby hviezda bola oveľa väčšia, tento proces fúzie by pokračoval, až kým by sme nedosiahli železo. Železo je prvok, v ktorom k fúzii nedochádza spontánne, čo znamená, že na fúziu je potrebné viac energie, ako sa uvoľňuje po fúzii. Naša hviezda sa však nikdy nedostane do železa vo svojom jadre, a tak zomrela potom, čo vyčerpala svoju héliu. Keď sa proces fúzie nakoniec „vypne“ (z plynu), hviezda sa pomaly začne ochladzovať a vonkajšie vrstvy hviezdy sa rozširujú a sú vypustené do vesmíru. Následné vyhadzovanie hviezdneho materiálu vedie k vytvoreniu toho, čo nazývame planétovou hmlovinou, a všetko, čo zostalo z kedysi žiarivej hviezdy, ktorú sme pozorovali na jar, je teraz len guľa hustého uhlíka, ktorá sa bude chladiť po zvyšok večnosti, možno kryštalizácia na diamant.
Smrť, ktorú sme práve videli, nie je jediný spôsob, ako hviezda zomrie. Ak je hviezda dostatočne veľká, jej smrť je oveľa násilnejšia. Hviezda prerazí do najväčšej explózie vo vesmíre, ktorá sa nazýva supernova. V závislosti od mnohých premenných môže zvyšok hviezdy skončiť ako neutrónová hviezda alebo dokonca čierna diera. Ale pre väčšinu z toho, čo nazývame priemernými hlavnými sekvenčnými hviezdami, smrť, ktorej sme boli svedkami, bude ich osudom.
Naša cesta končí tým, že premýšľame o tom, čo sme pozorovali. Keď vidíme, čo môže príroda urobiť za správnych okolností, a pozorovanie oblaku veľmi studeného plynu a prachu sa zmení na niečo, čo má potenciál vdýchnuť život do vesmíru. Naše mysle sa potulovali späť k tomuto druhu, ktorý sa mohol vyvinúť na jednej z týchto planét. Premýšľate o tom, ako prešli fázami podobnými nám. Možno použili hviezdy ako nadprirodzené božstvá, ktoré viedli ich vieru po tisíce rokov, nahrádzajúce odpovede tam, kde vládla ich nevedomosť. Tieto presvedčenia by sa mohli zmeniť na náboženstvá, stále by pochopili tento pojem osobitného výberu a veľkého myslenia. Pomohli by hviezdy ich túžbe porozumieť vesmíru, ako to pre nás urobili hviezdy? Vaša myseľ potom uvažuje o tom, aký bude náš osud, ak sa nepokúsime urobiť ďalší krok do vesmíru. Máme dovoliť, aby bol náš druh vymazaný z vesmíru, keď sa naša hviezda rozširuje po jeho smrti? Táto cesta, ktorú ste práve prešli do srdca Temnej hmloviny, skutočne ilustruje to, čo môže ľudská myseľ urobiť, a ukazuje, ako ďaleko sme sa dostali, hoci sme stále viazaní na našu slnečnú sústavu. Veci, ktoré ste sa naučili, našli ostatní, ako ste vy, jednoducho sa pýtajú, ako sa veci vyvíjajú, a potom prinášajú celú váhu našich znalostí fyziky na holé. Predstavte si, čo môžeme dosiahnuť, ak budeme v tomto procese pokračovať; byť schopný úplne dosiahnuť naše miesto medzi hviezdami.
