Jest w nich coś, co intryguje nas wszystkich. Wiele religii ludzkości może być związanych z czczeniem tych niebiańskich świec. Dla Egipcjan słońce reprezentowało boga Ra, który każdego dnia pokonał noc i przyniósł światu światło i ciepło. Dla Greków Apollo prowadził swój płonący rydwan po niebie, oświetlając świat. Nawet w chrześcijaństwie można powiedzieć, że Jezusa reprezentuje słońce, biorąc pod uwagę uderzające cechy jego opowieści ze starożytnymi astrologicznymi wierzeniami i postaciami. W rzeczywistości wiele starożytnych wierzeń podąża podobną ścieżką, z których wszystkie wiążą swoje pochodzenie z kultem słońca i gwiazd.
Ludzkość rozwijała się z gwiazd na nocnym niebie, ponieważ rozpoznała korelację we wzorze, w którym pewne formacje gwiazd (znane jako konstelacje) reprezentują określone czasy w cyklu rocznym. Jedna z nich oznaczała, że wkrótce miało się ogrzać, co doprowadziło do sadzenia jedzenia. Inne konstelacje przepowiedziały nadejście
chłodniejszy okres, dzięki czemu mogłeś zacząć przechowywać jedzenie i zbierać drewno na opał. Idąc naprzód w podróży ludzkości, gwiazdy stały się sposobem na nawigację. Żeglowanie po gwiazdach było sposobem na poruszanie się, a naszą wczesną eksplorację zawdzięczamy zrozumieniu konstelacji. Przez dziesiątki tysięcy lat, kiedy ludzkie oczy wpatrywały się w niebo, dopiero stosunkowo niedawno zaczęliśmy w pełni rozumieć, czym były gwiazdy, skąd pochodzą i jak żyły i umarły. O tym będziemy dyskutować w tym artykule. Chodź ze mną, gdy zapuszczamy się w głąb kosmosu i jesteśmy świadkami, jak fizyka pisze, gdy opisuję, jak gwiazda rodzi się, żyje i ostatecznie umiera.
Podróż rozpoczynamy od podróży do wszechświata w poszukiwaniu czegoś wyjątkowego. Szukamy wyjątkowej struktury, w której występują zarówno odpowiednie okoliczności, jak i składniki. Szukamy czegoś, co astronom nazywa Mroczną Mgławicą. Jestem pewien, że słyszałeś już o mgławicach i bez wątpienia je widziałeś. Wiele niesamowitych zdjęć, które uzyskał Kosmiczny Teleskop Hubble'a, to piękne chmury gazowe, świecące na tle miliardów gwiazd. Ich kolory wahają się od głębokiej czerwieni do żywych błękitów, a nawet niesamowitych zieleni. Jednak nie tego rodzaju mgławicy szukamy. Mgławica, której potrzebujemy, jest ciemna, nieprzezroczysta i bardzo, bardzo zimna.
Zastanawiasz się: „Dlaczego szukamy czegoś ciemnego i zimnego, skoro gwiazdy są jasne i gorące?”
Rzeczywiście, na początku wydaje się to zagadkowe. Dlaczego coś musi być najpierw zimne, zanim stanie się wyjątkowo gorące? Po pierwsze, musimy omówić coś elementarnego na temat tego, co nazywamy ośrodkiem międzygwiezdnym (ISM) lub przestrzenią między gwiazdami. Przestrzeń nie jest pusta, jak sugeruje jej nazwa. Kosmos zawiera zarówno gaz, jak i pył. Gaz, o którym głównie mówimy, to wodór, najliczniejszy pierwiastek we wszechświecie. Ponieważ wszechświat nie jest jednorodny (ta sama gęstość gazu i pyłu na każdy metr sześcienny), istnieją kieszenie przestrzeni, które zawierają więcej gazu i pyłu niż inne. Powoduje to, że grawitacja manipuluje tymi kieszeniami, łącząc się i tworząc coś, co postrzegamy jako mgławice. Tworzenie różnych mgławic wiąże się z wieloma rzeczami, ale ta, której szukamy, Ciemna Mgławica, ma bardzo szczególne właściwości. Teraz zanurzmy się w jedną z tych Mrocznych Mgławic i zobaczmy, co się dzieje.
Gdy schodzimy przez zewnętrzne warstwy tej mgławicy, zauważamy, że temperatura gazu i pyłu jest bardzo niska. W niektórych mgławicach temperatury są bardzo gorące. Im więcej cząstek zderzy się ze sobą, podekscytowany absorpcją i emisją promieniowania zewnętrznego i wewnętrznego, oznacza wyższe temperatury. Ale w tej Mrocznej Mgławicy dzieje się coś wręcz przeciwnego. Temperatury maleją, im dalej w chmurę, którą otrzymujemy. Powodem, dla którego te Ciemne Mgławice mają określone właściwości, które działają, aby stworzyć świetny gwiezdny żłobek, musi zająć się podstawowymi właściwościami mgławicy i typem regionu, w którym znajduje się chmura, z którym wiążą się trudne koncepcje, których nie będę w pełni zilustrować tutaj. Obejmują one region, w którym tworzą się chmury molekularne zwane neutralnymi regionami wodorowymi, a właściwości tych regionów mają do czynienia z wartościami spinu elektronu, a także oddziaływaniami pola magnetycznego, które wpływają na te elektrony. Cechy, które omówię, pozwalają dojrzeć tej mgławicy do formowania się gwiazd.
Wyłączając złożoną naukę stojącą za tym, co pomaga tworzyć te mgławice, możemy zacząć od pierwszego pytania, dlaczego musimy być zimniejsi, aby się cieplej. Odpowiedź sprowadza się do grawitacji. Gdy cząstki są podgrzewane lub wzbudzane, poruszają się szybciej. Chmura o wystarczającej energii będzie zawierać o wiele za dużo pędu między cząsteczkami pyłu i gazu, aby mogły wystąpić jakiekolwiek formacje. Podobnie jak w przypadku, gdy ziarna pyłu i atomy gazu poruszają się zbyt szybko, po prostu odbijają się od siebie lub po prostu wystrzeliwują obok siebie, nie osiągając żadnego rodzaju wiązania. Bez tej interakcji nigdy nie możesz mieć gwiazdy. Jeśli jednak temperatury są wystarczająco niskie, cząsteczki gazu i pyłu poruszają się tak wolno, że ich wzajemna grawitacja pozwoli im zacząć „sklejać się” ze sobą. Jest to proces, który pozwala na utworzenie protostaru.
Ogólnie rzecz biorąc, tym, co dostarcza energię, aby umożliwić szybszy ruch cząstek w tych chmurach molekularnych, jest promieniowanie. Oczywiście we wszechświecie przez cały czas napływa promieniowanie ze wszystkich stron. Jak widzimy w przypadku innych mgławic, świecą energią i gwiazdy nie rodzą się wśród chmur gorącego gazu. Są one ogrzewane przez promieniowanie zewnętrzne z innych gwiazd i własne ciepło wewnętrzne. W jaki sposób Ciemna Mgławica zapobiega nagrzewaniu się gazu w chmurze przez promieniowanie zewnętrzne i powodowaniu, że porusza się on zbyt szybko, aby grawitacja mogła go uchwycić? To gdzie
wchodzi w grę nieprzejrzysta natura tych Mrocznych Mgławic. Nieprzezroczystość jest miarą tego, ile światła może poruszać się przez obiekt. Im więcej materiału w obiekcie lub im grubszy jest obiekt, tym mniej światła jest w stanie go przeniknąć. Na światło o wyższej częstotliwości (promienie gamma, promienie X i UV), a nawet na częstotliwości widzialne, wpływ mają większe grube kieszenie gazu i pyłu. Tylko typy światła o niższej częstotliwości, w tym podczerwień, mikrofale i fale radiowe, odnoszą sukcesy w przenikaniu takich chmur gazowych, a nawet są one nieco rozproszone, tak że generalnie nie zawierają prawie wystarczającej ilości energii, aby zakłócać tę niepewną sytuację. proces formowania się gwiazd. Zatem wewnętrzne części ciemnych chmur gazowych są skutecznie „osłonięte” przed promieniowaniem zewnętrznym, które zakłócają inne, mniej nieprzezroczyste mgławice. Im mniej promieniowania powoduje przejście do chmury, tym niższe są w niej temperatury gazu i pyłu. Niższe temperatury oznaczają mniejszy ruch cząstek w chmurze, co ma kluczowe znaczenie dla tego, co omówimy dalej.
Rzeczywiście, gdy schodzimy w kierunku rdzenia tej ciemnej chmury molekularnej, zauważamy, że coraz mniej światła widzialnego dociera do naszych oczu, a dzięki specjalnym filtrom możemy zobaczyć, że dotyczy to innych częstotliwości światła. W rezultacie temperatura chmury jest bardzo niska. Warto zauważyć, że proces formowania się gwiazd zajmuje bardzo dużo czasu i dlatego, aby nie zmuszać cię do czytania przez setki tysięcy lat, będziemy teraz szybko przewijać do przodu. W ciągu kilku tysięcy lat grawitacja wyciągnęła spore ilości gazu i pyłu z otaczającej chmury molekularnej, powodując, że zbijały się one w siebie. Cząsteczki pyłu i gazu, wciąż chronione przed promieniowaniem zewnętrznym, mogą się naturalnie łączyć i „kleić” w tych niskich temperaturach. W końcu zaczyna się dziać coś interesującego. Wzajemna grawitacja tej wciąż rosnącej kuli gazu i pyłu rozpoczyna efekt kuli śnieżnej (lub gwiazdy). Im więcej warstw gazu i pyłu jest ze sobą koagulowanych, tym gęstsze staje się wnętrze tego protostaru. Gęstość ta zwiększa siłę grawitacji w pobliżu protostaru, wciągając w to więcej materiału. Z każdym nagromadzonym ziarnem pyłu i atomem wodoru wzrasta ciśnienie wewnątrz tej kuli gazu.
Jeśli pamiętasz cokolwiek z jakiejkolwiek klasy chemicznej, którą kiedykolwiek wziąłeś, możesz przypomnieć sobie bardzo szczególny związek między ciśnieniem i temperaturą w kontaktach z gazem. Przypomina nam się PV = nRT, prawo gazu doskonałego. Wyłączając stałą wartość skalarną „n” i stałą gazu R ({8.314 J / mol x K}) i rozwiązując dla temperatury (T), otrzymujemy T = PV, co oznacza, że temperatura chmury gazu jest wprost proporcjonalna naciskać. Jeśli zwiększysz ciśnienie, zwiększysz temperaturę. Rdzeń tej przyszłej gwiazdy przebywającej w Ciemnej Mgławicy staje się bardzo gęsty, a ciśnienie gwałtownie rośnie. Zgodnie z tym, co właśnie obliczyliśmy, oznacza to, że temperatura również rośnie.
Ponownie rozważamy tę mgławicę na następny krok. Mgławica ta ma dużą ilość pyłu i gazu (stąd jest nieprzezroczysta), co oznacza, że ma dużo materiału do zasilania naszego protostaru. Ciągle pobiera gaz i pył z otaczającego środowiska i zaczyna się nagrzewać. Cząsteczki wodoru w rdzeniu tego obiektu podskakują tak szybko, że uwalniają energię do gwiazdy. Protostar zaczyna się bardzo rozgrzewać i teraz świeci promieniowaniem (zazwyczaj podczerwienią). W tym momencie grawitacja wciąż przyciąga więcej gazu i pyłu, co zwiększa presje wywierane głęboko w rdzeniu tego protostaru. Gaz Mrocznej Mgławicy będzie się sam zapadał, dopóki nie wydarzy się coś ważnego. Kiedy w pobliżu gwiazdy nie ma już prawie nic do opadnięcia na jej powierzchnię, zaczyna ona tracić energię (z powodu promieniowania jako światło). Kiedy tak się dzieje, siła zewnętrzna maleje, a grawitacja zaczyna szybciej kurczyć gwiazdę. To znacznie zwiększa ciśnienie w rdzeniu tego protostaru. Wraz ze wzrostem ciśnienia temperatura w rdzeniu osiąga wartość kluczową dla obserwowanego procesu. Rdzeń protostara stał się tak gęsty i gorący, że osiąga około 10 milionów kelwinów. Patrząc z perspektywy czasu, temperatura ta jest około 1700 razy wyższa niż powierzchnia naszego Słońca (około 5800 K). Dlaczego 10 milionów kelwinów jest tak ważne? Ponieważ w tej temperaturze może dojść do termojądrowej fuzji wodoru, a gdy fuzja się rozpocznie, ta nowo narodzona gwiazda „włącza się” i pęka do życia, wysyłając ogromne ilości energii we wszystkich kierunkach.
W jądrze jest tak gorąco, że elektrony, które krążą wokół jąder protonu wodoru, są usuwane (zjonizowane), a wszystko, co macie, to swobodnie poruszające się protony. Jeśli temperatura nie jest wystarczająco wysoka, te swobodnie latające protony (które mają ładunki dodatnie), po prostu odrywają się od siebie. Jednak przy 10 milionach kelwinów protony poruszają się tak szybko, że mogą zbliżyć się wystarczająco blisko, aby umożliwić przejęcie Silnej Siły Jądrowej, a kiedy to nastąpi, protony Wodoru zaczynają się ze sobą łączyć z wystarczającą siłą, aby się stopić, tworząc Atomy helu i uwalniają dużo energii w postaci promieniowania. Jest to reakcja łańcuchowa, którą można zsumować, ponieważ 4 protony dają 1 atom helu + energię. Ta fuzja zapala gwiazdę i powoduje jej „spalenie”. Energia uwolniona przez tę reakcję pomaga w łączeniu się innych protonów wodoru, a także dostarcza energię, aby powstrzymać gwiazdę przed zapadnięciem się. Energia wypompowywana z tej gwiazdy we wszystkich kierunkach pochodzi z jądra, a kolejne warstwy tej młodej gwiazdy przenoszą to ciepło na swój własny sposób (stosując metody promieniowania i konwekcji w zależności od rodzaju gwiazdy, która się urodziła) .
To, czego byliśmy świadkami od samego początku naszej podróży, gdy zanurzyliśmy się w tę zimną Ciemną Mgławicę, to narodziny młodej, gorącej gwiazdy. Mgławica chroniła tę gwiazdę przed błędnym promieniowaniem, które zakłóciłoby ten proces, a także zapewniła mroźne środowisko, które było potrzebne, aby grawitacja mogła utrzymać i działać swoją magią. Gdy byliśmy świadkami formy protogwiazdowej, mogliśmy również zobaczyć coś niesamowitego. Jeśli zawartość tej mgławicy jest prawidłowa, na przykład duża ilość metali ciężkich i krzemianów (pozostałości po supernowych z poprzednich, bardziej masywnych gwiazd), to moglibyśmy zacząć widzieć formację planetarną w dysku akrecyjnym materiał wokół protostaru.
Pozostały gaz i pył w pobliżu naszej nowej gwiazdy zaczęłyby tworzyć gęste kieszenie według tego samego mechanizmu
grawitacja, która ostatecznie będzie w stanie zaaklimatyzować się w protoplanetach, które będą zbudowane z gazu lub krzemianów i metalu (lub kombinacji tych dwóch). To powiedziawszy, formacja planetarna wciąż jest dla nas nieco tajemnicą, ponieważ wydaje się, że istnieją rzeczy, których nie możemy jeszcze wyjaśnić w pracy. Ale ten model powstawania układu gwiezdnego wydaje się działać dobrze.
Życie gwiazdy nie jest tak ekscytujące jak jej narodziny lub śmierć. Będziemy kontynuować szybkie przewijanie do przodu i obserwowanie ewolucji tego systemu gwiezdnego. W ciągu kilku miliardów lat pozostałości Mrocznej Mgławicy zostały zniszczone i uformowały się inne gwiazdy, takie jak ta, której byliśmy świadkami, i już nie istnieje. Planety, które widzieliśmy, jak powstawały, gdy protostar wyrósł, rozpoczęły swój miliard lat tańca wokół swojej gwiazdy macierzystej. Może na jednym z tych światów istnieje świat, który znajduje się w odpowiedniej odległości od gwiazdy, płynna woda. W tej wodzie zawiera aminokwasy, które są potrzebne dla białek (wszystkie składają się z elementów, które pozostały po poprzednich erupcjach gwiezdnych). Białka te mogą łączyć się ze sobą, tworząc łańcuchy RNA, a następnie łańcuchy DNA. Może kiedyś, kilka miliardów lat po narodzinach gwiazdy, widzimy kosmiczny gatunek wystrzeliwujący w kosmos, a może nigdy nie osiągają tego z różnych powodów i pozostają związani z planetą. Oczywiście to tylko spekulacja dla naszej rozrywki. Jednak teraz zbliżamy się do końca naszej podróży, która rozpoczęła się miliardy lat temu. Gwiazda zaczyna umierać.
Wodór w jego rdzeniu jest wtapiany w hel, który z czasem wyczerpuje wodór; gwiazda zaczyna brakować gazu. Po wielu latach proces syntezy wodoru zaczyna się zatrzymywać, a gwiazda wydziela coraz mniej energii. Ten brak zewnętrznego nacisku z procesu fuzji zaburza równowagę hydrostatyczną i pozwala wygrać grawitacji (która zawsze próbuje zmiażdżyć gwiazdę). Gwiazda zaczyna szybko kurczyć się pod własnym ciężarem. Ale, tak jak omówiliśmy wcześniej, wraz ze wzrostem ciśnienia rośnie również temperatura. Całe resztki helu
od miliardów lat syntezy wodoru zaczyna się teraz rozgrzewać w rdzeniu. Hel topi się w znacznie gorętszej temperaturze niż wodór, co oznacza, że rdzeń bogaty w hel może być dociskany do wewnątrz przez grawitację bez stopienia się (jeszcze). Ponieważ w rdzeniu helu nie dochodzi do fuzji, siła zewnętrzna jest bardzo niewielka (wydzielana przez fuzję), aby zapobiec zapadnięciu się rdzenia. Materia ta staje się znacznie gęstsza, którą teraz nazywamy zdegenerowaną i wypycha ogromne ilości ciepła (energia grawitacyjna staje się energią cieplną). Powoduje to stopienie pozostałego wodoru, który znajduje się w kolejnych warstwach powyżej rdzenia helu, co powoduje znaczne rozszerzenie gwiazdy, gdy ta skorupa wodoru wypala się spod kontroli. To sprawia, że gwiazda „odbija się” i szybko się rozszerza; tym bardziej energetyczne połączenie z powłok wodorowych poza rdzeniem znacznie rozszerza średnicę gwiazdy. Nasza gwiazda jest teraz czerwonym gigantem. Niektóre, jeśli nie wszystkie planety wewnętrzne, które byliśmy świadkami, zostaną spalone i pochłonięte przez gwiazdę, która jako pierwsza dała im życie. Gdyby na którymkolwiek z tych planet istniało jakieś życie, które nie zdołało opuścić swojego rodzinnego świata, z pewnością zostałyby usunięte z wszechświata, o czym nigdy nie wiadomo.
Proces wyczerpywania się paliwa przez gwiazdę (najpierw wodór, potem hel itp.) Będzie trwał przez pewien czas. W końcu hel w rdzeniu osiągnie określoną temperaturę i zacznie się topić w węgiel, który odłoży zapadnięcie się (i śmierć) gwiazdy. Gwiazda, którą obecnie obserwujemy na żywo i umiera, jest średniej wielkości Gwiazdą Sekwencji Głównej, więc jej życie kończy się, gdy skończy się, łącząc Hel z
Węgiel. Gdyby gwiazda była znacznie większa, ten proces fuzji trwałby aż do osiągnięcia żelaza. Żelazo jest pierwiastkiem, w którym fuzja nie zachodzi spontanicznie, co oznacza, że wymaga więcej energii do stopienia niż wydziela się po fuzji. Jednak nasza gwiazda nigdy nie dotrze do Żelaza w swoim rdzeniu, a zatem umarła po wyczerpaniu złoża helu. Kiedy proces fuzji w końcu „wyłącza się” (z gazu), gwiazda powoli zaczyna się ochładzać, a zewnętrzne warstwy gwiazdy rozszerzają się i są wyrzucane w przestrzeń kosmiczną. Kolejne wyrzuty materii gwiezdnej prowadzą do stworzenia czegoś, co nazywamy mgławicą planetarną, a wszystko, co pozostało z genialnej niegdyś gwiazdy, którą obserwowaliśmy, jak powstaje, jest teraz tylko kulą gęstego węgla, która będzie nadal chłodzić się przez resztę wieczności, być może krystalizujący w diament.
Śmierć, której byliśmy świadkami, nie jest jedynym sposobem, w jaki umiera gwiazda. Jeśli gwiazda jest wystarczająco duża, jej śmierć jest znacznie gwałtowniejsza. Gwiazda wybuchnie w największą eksplozję we wszechświecie, zwaną supernową. W zależności od wielu zmiennych, pozostałość gwiazdy może skończyć się jako gwiazda neutronowa, a nawet czarna dziura. Ale dla większości tego, co nazywamy gwiazdami średniej wielkości o średniej wielkości, śmierć, której byliśmy świadkami, będzie ich przeznaczeniem.
Nasza podróż kończy się rozważaniem tego, co zaobserwowaliśmy. Widząc, co może zrobić natura w odpowiednich okolicznościach, i obserwując chmurę bardzo zimnego gazu i pyłu, zamienia się w coś, co może tchnąć życie w kosmos. Nasze umysły wracają do gatunku, który mógł ewoluować na jednej z tych planet. Zastanawiasz się, jak mogły przejść przez podobne do nas fazy. Być może wykorzystując gwiazdy jako nadprzyrodzone bóstwa, które kierowały ich wierzeniami przez tysiące lat, zastępując odpowiedzi tam, gdzie królowała ich ignorancja. Przekonania te mogłyby ewentualnie przekształcić się w religie, wciąż chwytając to pojęcie specjalnej selekcji i wspaniałomyślnej myśli. Czy gwiazdy podsyciłyby ich pragnienie zrozumienia wszechświata, tak jak gwiazdy dla nas? Wówczas twój umysł zastanawia się, jaki będzie nasz los, jeśli nie podejmiemy następnego kroku we wszechświecie. Czy mamy pozwolić, aby nasz gatunek został wymazany z kosmosu, gdy nasza gwiazda rozszerza się wraz ze śmiercią? Ta podróż, którą właśnie odbyliście w serce Mrocznej Mgławicy, naprawdę stanowi przykład tego, co może zrobić ludzki umysł, i pokazuje wam, jak daleko zaszliśmy, mimo że wciąż jesteśmy związani z naszym Układem Słonecznym. Rzeczy, których się nauczyłeś, zostały znalezione przez innych, takich jak ty, pytając po prostu, jak rzeczy się dzieją, a następnie ujawniając pełną wagę naszej wiedzy o fizyce. Wyobraź sobie, co możemy osiągnąć, jeśli będziemy kontynuować ten proces; będąc w stanie w pełni osiągnąć nasze miejsce wśród gwiazd.
