Nasze niebo pokryte jest morzem gwiezdnych duchów; wszystkie potencjalne fantomy, które były martwe przez miliony lat, a jednak jeszcze tego nie wiemy. O tym będziemy dzisiaj dyskutować. Co dzieje się z największą z naszych gwiazd i jak to wpływa na sam skład wszechświata, w którym żyjemy.
Podróż rozpoczynamy od obserwacji Mgławicy Kraba. Jego piękne kolory rozciągają się na zewnątrz w ciemną pustkę; niebiański grób zawierający gwałtowne wydarzenie, które miało miejsce tysiącleci temu. Wyciągasz rękę i jednym ruchem nadgarstka zaczynasz przewijać czas i patrzysz, jak piękne mgławice zaczynają się kurczyć. Gdy zegar kręci się do tyłu, kolory mgławicy zaczynają się zmieniać i zauważasz, że kurczą się do jednego punktu. Gdy kalendarz zbliża się do 5 lipca 1054 r., Gazowa chmura rozjaśnia się i osiada na jednym punkcie na niebie, który jest tak jasny jak księżyc w pełni i jest widoczny w ciągu dnia. Jasność gaśnie, a ostatecznie pojawia się punkt światła; gwiazda, której dziś nie widzimy. Ta gwiazda umarła, jednak w tej chwili nie wiedzielibyśmy o tym. Obserwatorowi przed tą datą ta gwiazda wydawała się wieczna, tak jak wszystkie inne gwiazdy. Jednak, jak wiemy z naszego uprzywilejowanego punktu obserwacyjnego, gwiazda ta ma zamiar przejść do supernowej i narodzić jedną z najbardziej spektakularnych mgławic, które obserwujemy dzisiaj.
Gwiezdne duchy są dobrym sposobem na opisanie wielu masywnych gwiazd, które widzimy rozproszone po całym wszechświecie. Wielu nie zdaje sobie sprawy, że kiedy patrzymy w głąb wszechświata, nie tylko patrzymy na duże odległości, ale spoglądamy w przeszłość. Jedną z fundamentalnych właściwości wszechświata, którą znamy całkiem dobrze, jest to, że światło porusza się ze skończoną prędkością: około 300 000 000 m / s (około 671 000 000 mph). Szybkość tę określono na podstawie wielu rygorystycznych testów i dowodów fizycznych. W rzeczywistości zrozumienie tej fundamentalnej stałej jest kluczem do większości tego, co wiemy o wszechświecie, szczególnie w odniesieniu zarówno do ogólnej teorii względności, jak i mechaniki kwantowej. Mimo to znajomość prędkości światła jest kluczem do zrozumienia, co rozumiem przez gwiezdne duchy. Widzisz, informacje poruszają się z prędkością światła. Używamy światła gwiazd, aby je obserwować i dzięki temu rozumiemy, jak działają.
Godnym przykładem tego opóźnienia jest nasze własne słońce. Nasze słońce jest oddalone o około 8 minut świetlnych. Oznacza to, że światło, które widzimy z naszej gwiazdy, zajmuje 8 minut, aby odbyć podróż z jej powierzchni do naszych oczu na Ziemi. Gdyby nasze słońce nagle zniknęło w tej chwili, nie wiedzielibyśmy o tym przez 8 minut; nie obejmuje to tylko światła, które widzimy, ale nawet jego wpływu grawitacyjnego na nas. Gdyby więc słońce zniknęło w tej chwili, kontynuowalibyśmy naszą orbitalną ścieżkę wokół naszej nieistniejącej gwiazdy jeszcze przez 8 minut, zanim dotrą do nas informacje grawitacyjne informujące nas, że nie jesteśmy już z nią związani grawitacyjnie. To określa nasze kosmiczne ograniczenie prędkości dotyczące tego, jak szybko możemy otrzymywać informacje, co oznacza, że wszystko, co obserwujemy w głąb wszechświata, przychodzi do nas tak, jak było „x” wiele lat temu, gdzie „x” to jego odległość światła od nas. Oznacza to, że obserwujemy gwiazdę oddaloną od nas o 10 lat świetlnych, jak 10 lat temu. Gdyby ta gwiazda umarła teraz, nie wiedzielibyśmy o tym przez kolejne 10 lat. Możemy więc zdefiniować go jako „gwiezdnego ducha”; gwiazda, która jest martwa ze swojej perspektywy w swoim położeniu, ale wciąż żyje i ma się dobrze u nas.
Jak opisano w poprzednim moim artykule (Stars: A Day in the Life), ewolucja gwiazdy jest złożona i bardzo dynamiczna. Wiele czynników odgrywa ważną rolę we wszystkim, od określenia, czy gwiazda w ogóle powstanie, po rozmiar, a tym samym czas życia tej gwiazdy. W poprzednim artykule wspomnianym powyżej omawiam podstawy formowania gwiezdnego i życia gwiazd, które nazywamy gwiazdami sekwencji głównej, a raczej gwiazd, które są bardzo podobne do naszego własnego Słońca. Podczas gdy proces formowania i życie gwiazdy o głównej sekwencji i gwiazd, o których będziemy dyskutować, są dość podobne, istnieją ważne różnice w sposobie, w jaki umierają gwiazdy, które będziemy badać. Śmierć gwiazd w głównej sekwencji jest interesująca, ale z trudem porównuje się do zginania czasoprzestrzeni, w jaki kończą się te większe gwiazdy.
Jak wspomniano powyżej, kiedy obserwowaliśmy dawno minioną gwiazdę leżącą w centrum Mgławicy Kraba, był punkt, w którym obiekt ten jarzył się tak jasno jak księżyc w pełni i był widoczny w ciągu dnia. Co może spowodować, że coś stanie się tak jasne, że będzie porównywalne z naszym najbliższym niebiańskim sąsiadem? Biorąc pod uwagę, że Mgławica Kraba znajduje się w odległości 6523 lat świetlnych, oznaczało to, że coś, co jest około 153 miliardów razy dalej niż nasz księżyc, świeciło tak jasno jak księżyc. Stało się tak, ponieważ gwiazda poszła po supernową, gdy umarła, co jest przeznaczeniem gwiazd, które są znacznie większe niż nasze Słońce. Gwiazdy większe od naszego Słońca staną się w chwili śmierci w dwóch skrajnych stanach: gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Oba są godnymi tematami, które mogą obejmować tygodnie na kursie astrofizyki, ale dla nas dzisiaj omówimy po prostu, jak powstają te potwory grawitacyjne i co to oznacza dla nas.
Życie gwiazdy to opowieść o niemal niekontrolowanej fuzji zawartej w chwycie własnej grawitacji. Nazywamy to równowagą hydrostatyczną, w której ciśnienie zewnętrzne od elementów topiących się w rdzeniu gwiazdy jest równe ciśnieniu grawitacyjnemu działającemu z powodu masy gwiazdy. W jądrze wszystkich gwiazd wodór jest wtapiany w hel (początkowo). Ten wodór pochodził z mgławicy, z której narodziła się gwiazda, która połączyła się i zapadła, dając gwiazdce pierwszą szansę na życie. Przez cały czas istnienia gwiazdy wodór zostanie zużyty, a coraz więcej helu „popiołu” będzie się kondensowało w centrum gwiazdy. W końcu gwiazda skończy się wodór, a fuzja na chwilę się zatrzyma. Ten brak zewnętrznego nacisku spowodowany chwilowym brakiem fuzji pozwala wygrać grawitacji i miażdży gwiazdę w dół. Gdy gwiazda kurczy się, gęstość, a tym samym temperatura w rdzeniu gwiazdy, wzrasta. W końcu osiąga określoną temperaturę i popiół helu zaczyna się topić. W ten sposób wszystkie gwiazdy przechodzą przez główną część swojego życia i do pierwszych stadiów śmierci. Jednak w tym przypadku gwiazdy wielkości Słońca i gwiazdy masywne omawiamy częściowo.
Gwiazda, która jest mniej więcej wielkości naszego własnego Słońca, przejdzie ten proces, dopóki nie osiągnie węgla. Gwiazdy tego rozmiaru po prostu nie są wystarczająco duże, aby stopić węgiel. Tak więc, kiedy cały hel został stopiony z tlenem i węglem (za pomocą dwóch procesów, które są zbyt skomplikowane, aby je tutaj pokryć), gwiazda nie może „zmiażdżyć” tlenu i węgla na tyle, aby rozpocząć fuzję, grawitacja wygrywa, a gwiazda umiera. Ale gwiazdy, które mają wystarczająco większą masę niż nasze Słońce (około 7x masy), mogą nadal ominąć te elementy i dalej świecić. Mają wystarczającą masę, aby kontynuować ten proces „zmiażdżenia i stopienia”, czyli dynamicznych interakcji w sercach tych niebiańskich pieców.
Te większe gwiazdy będą kontynuować proces syntezy obok węgla i tlenu, obok krzemu, aż do żelaza. Żelazo jest notatką śmierci śpiewaną przez te płonące olbrzymy, ponieważ kiedy żelazo zaczyna wypełniać swoje umierające obecnie jądro, gwiazda rzuca śmiercią. Ale te masywne struktury energii nie idą cicho w noc. Wychodzą w najbardziej spektakularny sposób. Kiedy ostatni z nieżelaznych pierwiastków stopi się w ich rdzeniach, gwiazda zaczyna zapadać w zapomnienie. Gwiazda spada na siebie, ponieważ nie ma sposobu na powstrzymanie nieuchronnego uchwytu grawitacji, miażdżąc kolejne warstwy pozostałych elementów z życia. Ten wewnętrzny swobodny upadek jest osiągany przy pewnej wielkości z niemożliwą siłą do przebicia; ciśnienie degeneracyjne neutronów, które zmusza gwiazdę do odbicia na zewnątrz. Ta ogromna ilość energii grawitacyjnej i kinetycznej wraca z furią, która oświetla wszechświat, błyskawicznie przechodząc przez całe galaktyki. Ta furia jest życiową krwią kosmosu; bęben bije w galaktyce symfonicznej, ponieważ ta intensywna energia pozwala na stopienie pierwiastków cięższych niż żelazo aż do uranu. Te nowe pierwiastki są wysadzane na zewnątrz przez tę niesamowitą siłę, poruszającą się na falach energii, która rzuca je głęboko w kosmos, zasiewając wszechświat wszystkimi znanymi nam elementami.
Ale co zostało? Co jest po tym spektakularnym wydarzeniu? To wszystko znowu zależy od masy gwiazdy. Jak wspomniano wcześniej, dwiema formami, które przyjmuje martwa masywna gwiazda, są albo Gwiazda Neutronowa, albo Czarna Dziura. W przypadku gwiazdy neutronowej formacja jest dość złożona. Zasadniczo zdarzenia, które opisałem, zdarzają się, z wyjątkiem tego, że po supernowych pozostaje tylko kula zdegenerowanych neutronów. Zdegenerowany to po prostu termin, który stosujemy do formy, która przybiera materię, gdy jest ściśnięta do granic dozwolonych przez fizykę. Coś, co jest zdegenerowane, jest intensywnie gęste, i dotyczy to bardzo gwiazdy neutronowej. Liczba, którą mogłeś usłyszeć, rzucona dookoła to, że łyżeczka materiału gwiazdy neutronowej ważyłaby około 10 milionów ton i miała prędkość ucieczki (prędkość potrzebną do oderwania się od przyciągania grawitacyjnego) przy około .4c, czyli 40% prędkości światła. Czasami gwiazda neutronowa wiruje z niewiarygodnymi prędkościami i nazywamy ją pulsarami; nazwa pochodzi od tego, jak je wykrywamy.
Tego rodzaju gwiazdy generują DUŻO promieniowania. Gwiazdy neutronowe mają ogromne pole magnetyczne. Pole to przyspiesza elektrony w ich gwiezdnej atmosferze do niewiarygodnych prędkości. Elektrony te podążają za liniami pola magnetycznego gwiazdy neutronowej do jej biegunów, gdzie mogą uwalniać fale radiowe, promienie X i promienie gamma (w zależności od rodzaju gwiazdy neutronowej). Ponieważ energia ta jest skoncentrowana na biegunach, tworzy rodzaj efektu latarni morskiej z wiązkami o wysokiej energii działającymi jak promienie światła z latarni morskiej. Gdy gwiazda się obraca, wiązki te zamiatają się wiele razy na sekundę. Jeśli Ziemi, a tym samym naszemu sprzętowi obserwacyjnemu, zorientujemy się korzystnie za pomocą tego pulsara, zarejestrujemy te „impulsy” energii, gdy promienie gwiazd nad nami przemykają. W przypadku wszystkich pulsarów, o których wiemy, jesteśmy o wiele za daleko, aby wiązki energii nas zraniły. Ale gdybyśmy byli blisko jednej z tych martwych gwiazd, promieniowanie to stale obmywające naszą planetę oznaczałoby pewne wymieranie życia, jakie znamy.
Co z inną formą, jaką przybiera martwa gwiazda; czarna dziura? Jak to się dzieje? Jeśli zdegenerowany materiał jest w stanie zmiażdżyć materię, w jaki sposób pojawia się czarna dziura? Mówiąc najprościej, czarne dziury są wynikiem niewyobrażalnie dużej gwiazdy, a tym samym naprawdę ogromnej ilości materii, która jest w stanie „rozbić” to ciśnienie degeneracji neutronów po zapaści. Gwiazda zasadniczo opada do wewnątrz z taką siłą, że przekracza tę pozornie fizyczną granicę, obracając się na sobie i zawijając czasoprzestrzeń w punkt o nieskończonej gęstości; osobliwość. To niesamowite zdarzenie ma miejsce, gdy gwiazda ma masę około 18 razy większą niż masa naszego Słońca, a kiedy umiera, jest naprawdę uosobieniem fizyki. Ten „dodatkowy kawałek masy” pozwala mu zwinąć kulę zdegenerowanych neutronów i spaść w nieskończoność. Myślenie o tym jest zarówno przerażające, jak i piękne; punkt w czasoprzestrzeni, który nie jest w pełni rozumiany przez naszą fizykę, a jednak istnieje coś, co wiemy. Naprawdę niezwykłą rzeczą w czarnych dziurach jest to, że wszechświat działa przeciwko nam. Informacje potrzebne do pełnego zrozumienia procesów w czarnej dziurze są zamknięte za zasłoną, którą nazywamy horyzontem zdarzeń. Jest to punkt bez powrotu dla czarnej dziury, dla której cokolwiek poza tym punktem czasoprzestrzeni nie ma przyszłych ścieżek, które by z niego prowadziły. Nic nie ucieka w tej odległości od zapadniętej gwiazdy w jej rdzeniu, nawet światło, a zatem żadna informacja nigdy nie opuszcza tej granicy (przynajmniej nie w formie, której możemy użyć). Ciemne serce tego naprawdę zadziwiającego obiektu pozostawia wiele do życzenia i kusi nas, abyśmy wkroczyli do jego królestwa, aby spróbować poznać niepoznawalne; uchwycić owoc z drzewa wiedzy.
Teraz trzeba powiedzieć, że do dzisiaj jest wiele badań nad czarnymi dziurami. Fizycy tacy jak profesor Stephen Hawking, między innymi, niestrudzenie pracowali nad fizyką teoretyczną stojącą za działaniem czarnej dziury, próbując rozwiązać paradoksy, które często pojawiają się, gdy próbujemy wykorzystać najlepsze z naszej fizyki przeciwko nim. Istnieje wiele artykułów i artykułów na temat takich badań i ich późniejszych ustaleń, więc nie będę zagłębiał się w ich zawiłości, ponieważ zarówno chcą zachować prostotę zrozumienia, jak i nie oderwać się od niesamowitych umysłów, które pracują nad tymi zagadnieniami. Wielu sugeruje, że osobliwość jest matematyczną ciekawością, która nie do końca odzwierciedla to, co fizycznie się dzieje. Sprawa w horyzoncie zdarzeń może przybrać nowe i egzotyczne formy. Warto również zauważyć, że w ogólnej teorii względności wszystko z masą może zapaść się w czarną dziurę, ale ogólnie rzecz biorąc trzymamy się szeregu mas, ponieważ tworzenie czarnej dziury z czymkolwiek mniejszym niż w tym przedziale mas jest poza naszym zrozumieniem, w jaki sposób Mogłoby się wydarzyć. Ale jako ktoś, kto studiuje fizykę, nie wspomnę o tym, że odtąd znajdujemy się w interesującym przekroju pomysłów, które bardzo ściśle dotyczą tego, co faktycznie dzieje się w tych widmach grawitacji.
Wszystko to sprowadza mnie z powrotem do punktu, który należy rozwiązać. Fakt, który należy uznać. Opisując śmierć tych masywnych gwiazd, dotknąłem czegoś, co się wydarzy. Gdy gwiazda jest odrywana od własnej energii, a jej zawartość jest wydmuchiwana na zewnątrz do wszechświata, dochodzi do czegoś zwanego nukleosyntezą. To połączenie elementów w celu tworzenia nowych elementów. Od wodoru po uran. Te nowe pierwiastki są wysadzane na zewnątrz z niewiarygodną prędkością, a zatem wszystkie te elementy ostatecznie znajdą drogę do chmur molekularnych. Chmury molekularne (Ciemne Mgławice) to gwiezdne żłobki kosmosu. Tu zaczynają się gwiazdy. A z formacji gwiazd otrzymujemy formację planetarną.
Gdy gwiazda się formuje, chmura szczątków utworzona z chmury molekularnej, z której się narodziła, zaczyna wirować wokół niej. Ta chmura, jak wiemy, zawiera wszystkie te elementy, które zostały ugotowane w naszych supernowych. Węgiel, tlen, krzemiany, srebro, złoto; wszyscy obecni w tej chmurze. Dysk akrecyjny o tej nowej gwieździe jest miejscem, w którym tworzą się planety, łącząc się z tego wzbogaconego środowiska. Kulki skał i lodu zderzają się, akreują, są rozrywane, a następnie przekształcane w miarę, jak grawitacja pracuje sumiennymi rękami, aby uformować te nowe światy w wyspy możliwości. Te planety powstają z tych samych pierwiastków, które zostały zsyntetyzowane podczas tej katastrofalnej erupcji. Te nowe światy zawierają plany życia takie, jakie znamy.
Na jednym z tych światów występuje pewna mieszanina wodoru i tlenu. W tej mieszaninie tworzą się pewne atomy węgla, tworząc łańcuchy replikujące się według prostego wzoru. Być może po tych miliardach lat te same pierwiastki, które zostały wrzucone do wszechświata przez umierającą gwiazdę, dają życie czemuś, co może spojrzeć w górę i docenić majestat, jakim jest kosmos. Być może to coś ma inteligencję do zrozumienia, że atom węgla w nim jest tym samym atomem węgla, który został stworzony w umierającej gwieździe, i że pojawiły się supernowe, które pozwoliły temu atomowi węgla znaleźć się we właściwej części wszechświata w Odpowiedni czas. Energia, która była ostatnim umierającym oddechem dawno zmarłej gwiazdy, była tą samą energią, która pozwoliła życiu wziąć pierwszy oddech i spojrzeć na gwiazdy. Te gwiezdne duchy są naszymi przodkami. Nie ma ich w formie, ale pozostają w naszej pamięci chemicznej. Istnieją w nas. Jesteśmy supernową. Jesteśmy gwiezdnym pyłem. Jesteśmy potomkami gwiezdnych duchów…
