Je na nich něco, co nás všechny zaujme. Mnoho uctívání lidstva může být svázáno s uctíváním těchto nebeských svíček. Pro Egypťany bylo slunce představitelem Boha Ra, který každý den porazil noc a přivedl světlo a teplo do zemí. Pro Řeky to byl Apollo, kdo řídil jeho planoucí vůz po obloze a osvětloval svět. I v křesťanství lze říci, že Ježíš je představitelem slunce, vzhledem k výrazným charakteristikám jeho příběhu se starodávnými astrologickými přesvědčeními a postavami. Ve skutečnosti mnoho starověkých přesvědčení následuje podobnou cestu, která všechny svázala svůj původ s uctíváním slunce a hvězd.
Lidstvo prospívalo hvězdám na noční obloze, protože rozpoznaly korelaci ve vzorci, ve kterém určité hvězdné útvary (známé jako souhvězdí) představovaly specifické časy v ročním cyklu. Jeden z nich znamenal, že se brzy stane teplejším, což vedlo k výsadbě jídla. Ostatní souhvězdí předpověděly příchod a
chladnější období, takže jste mohli začít skladovat jídlo a sbírat palivové dříví. Po cestě vpřed na cestě lidstva se hvězdy staly způsobem navigace. Plachtění hvězd bylo způsob, jak se obejít, a my vděčíme našemu včasnému zkoumání za naše pochopení konstelací. Po mnoho desítek tisíc let, které lidské oči hleděly vzhůru k nebi, teprve donedávna jsme úplně začali chápat, jaké hvězdy ve skutečnosti jsou, odkud pocházejí a jak žijí a umírají. To je to, o čem budeme v tomto článku diskutovat. Pojďte se mnou, když se pustíme hluboko do vesmíru a svědky fyziky píšou velké, protože zakrývám, jak se hvězda rodí, žije a nakonec umírá.
Začneme naší cestou cestováním do vesmíru hledáním něčeho zvláštního. Hledáme jedinečnou strukturu, ve které jsou přítomny jak správné okolnosti, tak přísady. Hledáme, co astronom nazývá temná mlhovina. Jsem si jistý, že jste už slyšeli o mlhovinách, a nepochybně jste je viděli. Mnoho úžasných snímků, které Hubbleův vesmírný dalekohled získal, jsou nádherné plynové mraky, zářící uprostřed miliard hvězd. Jejich barvy sahají od tmavě červené až po zářivé blues a dokonce i nějaké děsivé zelené. Toto není typ mlhoviny, kterou hledáme. Mlhovina, kterou potřebujeme, je tmavá, neprůhledná a velmi, velmi chladná.
Možná se divíte sami sobě: „Proč hledáme něco temného a chladného, když jsou hvězdy jasné a horké?“
Opravdu, to je něco, co by se na první pohled zdálo záhadné. Proč musí být nejprve něco chladného, než se může stát extrémně horkým? Nejprve musíme pokrýt něco elementárního o tom, čemu říkáme Interstellar Medium (ISM), nebo prostoru mezi hvězdami. Prostor není prázdný, jak by naznačoval jeho název. Prostor obsahuje plyn i prach. Plyn, o kterém mluvíme, je vodík, nejhojnější prvek ve vesmíru. Protože vesmír není jednotný (stejná hustota plynu a prachu na každý metr krychlový), existují kapsy prostoru, které obsahují více plynu a prachu než ostatní. To způsobuje, že gravitace manipuluje s těmito kapsami, aby se spojily a vytvořily to, co vidíme jako mlhoviny. Při tvorbě těchto různých mlhovin jde mnoho věcí, ale ta, kterou hledáme, temná mlhovina, má velmi zvláštní vlastnosti. Nyní se vrhneme do jedné z těchto temných mlhovin a uvidíme, co se děje.
Jak sestupujeme přes vnější vrstvy této mlhoviny, všimneme si, že teplota plynu a prachu je velmi nízká. V některých mlhovinách jsou teploty velmi horké. Čím více částic narážejí do sebe, nadšených absorpcí a emisí vnějšího a vnitřního záření, znamená to vyšší teploty. Ale v této Temné mlhovině se děje opak. Teploty dále klesají do oblaku, který dostaneme. Důvod, proč tyto temné mlhoviny mají specifické vlastnosti, které pracují na vytvoření velké hvězdné školky, se musí zabývat základními vlastnostmi mlhoviny a typem oblasti, v níž oblak existuje, a má s ním spojené některé obtížné koncepty, které nebudu plně ilustrovat tady. Zahrnují oblast, kde se tvoří molekulární mraky, které se nazývají neutrální vodíkové oblasti, a vlastnosti těchto oblastí se musí zabývat hodnotami elektronového spinu, spolu s interakcemi magnetického pole, které ovlivňují uvedené elektrony. Znaky, které budu pokrývat, jsou to, co umožňuje, aby tato mlhovina byla zralá pro tvorbu hvězd.
S výjimkou složité vědy, která pomáhá vytvářet tyto mlhoviny, můžeme začít řešit první otázku, proč musíme zchladnout, abychom se zahřát. Odpověď přichází na gravitaci. Když jsou částice zahřáté nebo vzrušené, pohybují se rychleji. Oblak s dostatečnou energií bude obsahovat příliš mnoho hybnosti mezi částicemi prachu a plynu, aby se vyskytly jakékoli formace. Stejně jako v případě, že prachové zrnky a atomy plynů se pohybují příliš rychle, jednoduše se odrazí od sebe nebo jen střílejí jeden za druhým, nikdy nedosáhnou jakéhokoli typu vazby. Bez této interakce nikdy nebudete mít hvězdu. Pokud jsou však teploty dostatečně chladné, částice plynu a prachu se pohybují tak pomalu, že jejich vzájemná gravitace jim umožní začít se „lepit“. Je to tento proces, který umožňuje vytvoření protostar.
To, co dodává energii, aby umožnil rychlejší pohyb částic v těchto molekulárních mracích, je radiace. Po celém vesmíru samozřejmě přichází záření ze všech směrů. Jak vidíme u jiných mlhovin, září září energií a mezi těmito horkými oblaky plynu se nenarodí hvězdy. Jsou zahřívány vnějším zářením jiných hvězd a vlastním vnitřním teplem. Jak tato temná mlhovina zabraňuje vnějšímu záření v zahřívání plynu v cloudu a způsobuje, že se pohybuje příliš rychle na to, aby se zachytila gravitace? To je kde
vstupuje do hry neprůhledná povaha těchto Temných mlhovin. Neprůhlednost je měřítkem toho, kolik světla se dokáže pohybovat objektem. Čím více materiálu v objektu nebo čím je předmět silnější, tím méně světla je schopen proniknout. Světlo s vyšší frekvencí (paprsky gama, rentgenové záření a UV) a dokonce i viditelné frekvence jsou více ovlivněny silnými kapsami plynu a prachu. Pouze nízkofrekvenční typy světla, včetně infračerveného záření, mikrovlny a rádiových vln, mají jakýkoli úspěch pronikání plynových mraků, jako jsou tyto, a dokonce je to poněkud rozptýlené, takže obecně neobsahují téměř tolik energie, aby začaly narušovat tuto nejistotu. proces formování hvězd. Vnitřní části mraků temného plynu jsou tedy účinně „chráněny“ před vnějším zářením, které narušuje jiné, méně neprůhledné mlhoviny. Čím méně záření způsobuje, že se dostane do cloudu, tím nižší teploty plynu a prachu v něm jsou. Chladnější teploty znamenají menší pohyb částic v cloudu, což je klíčové pro to, o čem budeme dále diskutovat.
Ve skutečnosti, jak sestupujeme k jádru tohoto temného molekulárního mraku, všimneme si, že méně a méně viditelné světlo ho přivádí k našim očím a pomocí speciálních filtrů vidíme, že to platí o jiných frekvencích světla. Výsledkem je velmi nízká teplota mraku. Stojí za zmínku, že proces vytváření hvězd trvá velmi dlouho, a v zájmu toho, abyste vás nepřestávali číst po stovky tisíc let, budeme nyní rychle postupovat vpřed. Během několika tisíc let přitáhla gravitace z okolního molekulárního oblaku velké množství plynu a prachu, což způsobilo, že se shlukly dohromady. Částice prachu a plynu, stále chráněné před vnějším zářením, se mohou při těchto nízkých teplotách přirozeně spojovat a „lepit“. Nakonec se stane něco zajímavého. Vzájemná gravitace této stále rostoucí koule plynu a prachu začíná efektem sněhové koule (nebo hvězdné koule). Čím více vrstev plynu a prachu se koaguluje dohromady, tím je vnitřek tohoto hvězdu hustší. Tato hustota zvyšuje gravitační sílu poblíž protostar, čímž do ní vtahuje více materiálu. S každým prachovým zrnem a vodíkovým atomem, který se hromadí, se zvyšuje tlak uvnitř této koule plynu.
Pokud si vzpomenete na něco z jakékoli třídy chemie, kterou jste kdy absolvovali, můžete si při práci s plynem vzpomenout na velmi zvláštní vztah mezi tlakem a teplotou. PV = nRT, zákon o ideálním plynu, přichází na mysl. S výjimkou konstantní skalární hodnoty 'n' a plynové konstanty R ({8,314 J / mol x K}) a řešení pro teplotu (T) dostaneme T = PV, což znamená, že teplota oblaku plynu je přímo úměrná na tlak. Pokud zvýšíte tlak, zvýšíte teplotu. Jádro této brzy vzniklé hvězdy, která sídlí v této temné mlhovině, se stává velmi hustou a tlak prudce stoupá. Podle toho, co jsme právě vypočítali, to znamená, že teplota také roste.
Ještě jednou uvažujeme o této mlhovině pro další krok. Tato mlhovina obsahuje velké množství prachu a plynu (proto je neprůhledná), což znamená, že má spoustu materiálu, aby mohla krmit naši protostar. Pokračuje v nasávání plynu a prachu z okolního prostředí a zahřívá se. Vodíkové částice v jádru tohoto objektu se ohýbají tak rychle, že uvolňují energii do hvězdy. Protostar začíná být velmi horký a nyní září zářením (obvykle infračerveným). V tomto okamžiku gravitace stále přitahuje více plynu a prachu, který se přidává k tlakům vyvíjeným hluboko v jádru této protostar. Plyn Temné mlhoviny se bude dále zhroutit, dokud se nestane něco důležitého. Když v blízkosti hvězdy nezůstane na jejím povrchu cokoli, začne ztrácet energii (kvůli tomu, že vyzařuje jako světlo). Když k tomu dojde, tato vnější síla se zmenší a gravitace začne stahovat hvězdu rychleji. To výrazně zvyšuje tlak v jádru této protostar. Jak tlak roste, teplota v jádru dosáhne hodnoty, která je rozhodující pro proces, kterého jsme svědky. Jádro Protostaru bylo tak husté a horké, že dosahuje zhruba 10 milionů Kelvinů. Abychom to uvedli do perspektivy, tato teplota je zhruba 1700x teplejší než povrch našeho slunce (kolem 5800 K). Proč je 10 milionů Kelvinů tak důležité? Protože při této teplotě může dojít k termonukleární fúzi vodíku a jakmile se začne fúze, tato novorozená hvězda se „zapne“ a praskne k životu a vysílá obrovské množství energie ve všech směrech.
V jádru je tak horké, že elektrony, které se zipují kolem protonových jader vodíku, jsou odizolovány (ionizovány) a vše, co máte, jsou volně se pohybující protony. Pokud teplota není dostatečně horká, tyto volné létající protony (které mají kladné náboje) se jednoduše navzájem podívají. Avšak při 10 milionech Kelvinů se protony pohybují tak rychle, že se mohou dostat dostatečně blízko, aby umožnily převzetí silných jaderných sil, a když se to stane, vodíkové protony začnou bít do sebe s dostatečnou silou, aby se spojily, čímž vytvoří Atomy hélia a uvolňující velké množství energie ve formě záření. Je to řetězová reakce, kterou lze shrnout, protože 4 protony poskytují 1 atom helia + energii. Tato fúze je to, co hvězdu zapálí a způsobí „spálení“. Energie uvolněná touto reakcí jde do pomoci jiným vodíkovým protonům pojistit se a také dodává energii, aby se zabránilo hvězdě v kolapsu na sebe. Energie, která čerpá z této hvězdy ve všech směrech, pochází z jádra a následující vrstvy této mladé hvězdy přenášejí toto teplo svým vlastním způsobem (pomocí radiačních a konvekčních metod v závislosti na tom, jaký typ hvězdy se narodil) .
To, čeho jsme byli svědky nyní, od začátku naší cesty, kdy jsme se ponořili do studené temné mlhoviny, je zrození mladé horké hvězdy. Mlhovina chránila tuto hvězdu před nevyzařujícím zářením, které by tento proces narušilo, a také poskytovala chladné prostředí, které bylo potřeba, aby se gravitace zmocnila a pracovala na své magii. Jak jsme byli svědky protostarové formy, možná jsme také viděli něco neuvěřitelného. Pokud je obsah této mlhoviny správný, jako například velké množství těžkých kovů a křemičitanů (zbývajících od supernov předešlých, hmotnějších hvězd), pak bychom mohli začít vidět, že by se v akrečním disku materiál kolem protostar.
Zbývající plyn a prach v blízkosti naší nové hvězdy by se začaly vytvářet husté kapsy stejným mechanismem jako
gravitace, nakonec být schopen se vrhnout do protoplanetů, které budou tvořeny plynem nebo křemičitany a kovem (nebo kombinací obou). Jak už bylo řečeno, planetární formace je pro nás stále poněkud záhadou, protože se zdá, že existují věci, které zatím nemůžeme vysvětlit v práci. Zdá se však, že tento model tvorby hvězdného systému funguje dobře.
Život hvězdy není zdaleka tak vzrušující jako její narození nebo smrt. Budeme pokračovat v rychlém posunu vpřed a sledovat, jak se tento hvězdný systém vyvíjí. Během několika miliard let byly zbytky Temné mlhoviny odfouknuty a vytvořily také jiné hvězdy, jako je ta, které jsme byli svědky, a už neexistuje. Planety, které jsme viděli, jak se utvářely, když Protostar rostl, začínají tančit po miliardách let kolem své mateřské hvězdy. Možná na jednom z těchto světů, ve světě, který sedí ve správné vzdálenosti od hvězdy, existuje kapalná voda. Voda obsahuje aminokyseliny, které jsou potřebné pro proteiny (všechny se skládají z prvků, které zůstaly po předchozích hvězdných erupcích). Tyto proteiny jsou schopny se spojit a začít tvořit řetězce RNA, pak řetězce DNA. Možná v jednom bodě několik miliard let poté, co se zrodila hvězda, vidíme, jak se kosmický druh vypouští do vesmíru, nebo to možná nikdy z různých důvodů nedosáhnou a zůstanou vázáni na planetu. To je samozřejmě jen spekulace o našem pobavení. Nyní však přicházíme na konec naší cesty, která začala před miliardami let. Hvězda začíná umírat.
Vodík v jeho jádru je fúzován do helia, které časem vyčerpává vodík; Hvězdi došel benzín. Po mnoha letech se proces vodíkové fúze zastaví a hvězda vydává stále méně energie. Tento nedostatek vnějšího tlaku způsobeného fúzním procesem narušuje to, čemu říkáme hydrostatická rovnováha, a umožňuje gravitaci (která se vždy snaží rozdrvit hvězdu) vyhrát. Hvězda začíná rychle klesat pod svou vlastní hmotností. Ale, jak jsme již dříve hovořili, s rostoucím tlakem také roste teplota. Všechno to Helium, které zbylo
z miliard let vodíkové fúze se nyní začíná zahřívat v jádru. Hélium se taví při mnohem teplejší teplotě než vodík, což znamená, že jádro bohaté na hélium je možné vtlačit dovnitř gravitací bez tavení (zatím). Protože v jádru helia nedochází k fúzi, existuje jen malá až žádná vnější síla (uvolněná fúzí), která zabrání zhroucení jádra. Tato záležitost se stává mnohem hustší, kterou nyní označujeme jako degenerovanou, a vytlačuje obrovské množství tepla (gravitační energie se stává tepelnou energií). To způsobí, že se zbývající vodík, který je v následných vrstvách nad jádrem helia, roztaví, což způsobí, že se hvězda výrazně expanduje, protože tato vrstva vodíku shoří mimo kontrolu. Díky tomu se hvězda „odrazí“ a rychle se rozšiřuje; energetičtější fúze z vodíkových skořápek mimo jádro výrazně rozšiřuje průměr hvězdy. Naše hvězda je nyní červený obr. Některé, ne-li všechny vnitřní planety, kterých jsme byli svědky, budou spáleny a spolknuty hvězdou, která jim poprvé dala život. Pokud by se na nějaké planetě, která nedokázala opustit svůj domovský svět, objevil život, určitě by byl vymazán z vesmíru, o kterém nikdy nebude známo.
Tento proces, kdy došla hvězda z paliva (nejprve vodík, pak hélium atd.), Bude chvíli trvat. Nakonec hélium v jádru dosáhne určité teploty a začne se roztavit do uhlíku, což odloží kolaps (a smrt) hvězdy. Hvězda, kterou v současné době sledujeme živě a umírá, je průměrná hlavní hvězdná sekvence, takže její život skončí, jakmile je dokončeno spojení helia do
Uhlík. Pokud by byla hvězda mnohem větší, tento proces fúze by pokračoval, dokud bychom nedosáhli železa. Železo je prvek, ve kterém k fúzi nedochází spontánně, což znamená, že k fúzi je potřeba více energie, než se uvolňuje po fúzi. Naše hvězda se však nikdy nedostane do železa ve svém jádru, a tak zemřela poté, co vyčerpala nádrž Helium. Když se fúzní proces konečně „vypne“ (z plynu), hvězda pomalu začne vychladnout a vnější vrstvy hvězdy se rozpínají a jsou vypuzovány do vesmíru. Následné vypuzení hvězdného materiálu postupuje k vytvoření toho, čemu říkáme planetární mlhovina, a vše, co zbylo z kdysi brilantní hvězdy, kterou jsme pozorovali na jaře, je nyní jen koule hustého uhlíku, která se bude chladit po zbytek věčnosti, možná krystalizace do diamantu.
Smrt, kterého jsme byli právě teď svědky, není jediným způsobem, jak hvězda umírá. Pokud je hvězda dostatečně velká, její smrt je mnohem násilnější. Hvězda propukne do největší exploze ve vesmíru, která se nazývá supernova. V závislosti na mnoha proměnných může zbytek hvězdy skončit jako neutronová hvězda nebo dokonce černá díra. Ale pro většinu toho, čemu říkáme průměrné hlavní hvězdné sekvence, smrt, kterou jsme byli svědky, bude jejich osudem.
Naše cesta končí tím, že přemýšlíme o tom, co jsme pozorovali. Když vidíme, co příroda může udělat za správných okolností, a pozorování oblaku velmi studeného plynu a prachu se promění v něco, co má potenciál vdechnout život do vesmíru. Naše mysl putovala zpět k tomuto druhu, který se mohl vyvinout na jedné z těchto planet. Přemýšlíte o tom, jak prošli fázemi podobnými nám. Možná použily hvězdy jako nadpřirozená božstva, která vedla jejich víru po tisíce let, nahrazující odpovědi tam, kde vládla jejich nevědomost. Tato víra by se mohla proměnit v náboženství, stále by chápe tu představu o zvláštním výběru a velkorysém myšlení. Mohly by hvězdy podpořit jejich touhu porozumět vesmíru, jako pro nás hvězdy? Vaše mysl pak přemýšlí, jaký bude náš osud, pokud se nepokusíme učinit další krok do vesmíru. Máme dovolit, aby byl náš druh vymazán z vesmíru, když se naše hvězda v jeho smrti rozšiřuje? Tato cesta, kterou jste právě prošli do srdce Temné mlhoviny, skutečně ilustruje, co může lidská mysl udělat, a ukazuje, jak daleko jsme se dostali, i když jsme stále vázáni na naši sluneční soustavu. Věci, které jste se naučili, našli jiní, jako jste vy jednoduše, když se ptáte, jak se věci dějí, a pak přinesli celou váhu našich znalostí fyziky na holé. Představte si, čeho můžeme dosáhnout, pokud budeme v tomto procesu pokračovat; být schopen plně dosáhnout našeho místa mezi hvězdami.
