Kažkas iš jų intriguoja mus visus. Daugelį žmonijos religijų galima sieti su šių dangaus žvakių garbinimu. Egiptiečiams saulė atstovavo Dievui Ra, kuris kiekvieną dieną naikindavo naktį ir nešdavo į kraštus šviesą ir šilumą. Graikams būtent Apolonas vairavo savo liepsnojantį vežimą per dangų, apšviesdamas pasaulį. Net krikščionybėje Jėzus gali būti laikomas saulės atstovu, atsižvelgiant į ryškias jo istorijos savybes su senovės astrologiniais įsitikinimais ir figūromis. Tiesą sakant, daugelis senovės įsitikinimų eina panašiu keliu, ir visi jie sieja savo kilmę su saulės ir žvaigždžių garbinimu.
Žmonija klestėjo nuo žvaigždžių naktiniame danguje, nes jos atpažino modelio, kuriame tam tikros žvaigždžių formacijos (vadinamos žvaigždynais) atspindi tam tikrus metinius ciklus, koreliaciją. Vienas iš jų reiškė, kad netrukus turėjo sušilti, ir tai paskatino sodinti maistą. Kiti žvaigždynai numatė artėjantį a
šaltesnis laikotarpis, todėl galėjai pradėti kaupti maistą ir rinkti malkas. Žmonės, eidami į priekį žmonijos kelionėje, tada tapo būdas naršyti. Plaukimas žvaigždėmis buvo būdas apeiti, ir mes esame skolingi savo ankstyvam tyrimui, kad suprastume žvaigždynus. Daugelį dešimčių tūkstančių metų, kai žmogaus akys žiūrėjo į dangų, tik palyginti neseniai mes visiškai supratome, kas žvaigždės iš tikrųjų yra, iš kur jos atsirado, kaip jos gyveno ir mirė. Tai mes aptarsime šiame straipsnyje. Ateikite kartu su manimi, kai mes gilėsimės į kosmosą, o fizikos liudininkai bus dideli, nes aš apžvelgiu, kaip žvaigždė gimsta, gyvena ir galiausiai miršta.
Savo kelionę pradedame išvykdami į visatą ieškodami kažko ypatingo. Mes ieškome unikalios struktūros, kurioje būtų ir tinkamos aplinkybės, ir komponentai. Mes ieškome to, ką astronomas vadina Tamsos ūku. Esu tikras, kad anksčiau esate girdėję apie ūkas ir net neabejoju, kad juos matėte. Daugybė nuostabių Hablo kosminio teleskopo vaizdų yra iš nuostabių dujų debesų, švytinčių milijardų žvaigždžių fone. Jų spalvos svyruoja nuo gilių raudonumo iki ryškių bliuzų ir net kai kurių pašėlusių žalumynų. Tačiau tai nėra tas ūkų tipas, kurio ieškome. Mums reikalingas ūkas yra tamsus, nepermatomas ir labai, labai šaltas.
Galite paklausti savęs: „Kodėl mes ieškome kažko tamsaus ir šalto, kai žvaigždės yra ryškios ir karštos?“
Iš tikrųjų tai iš pradžių atrodė glumina. Kodėl kažkas turi būti šaltas, prieš tai gali pasidaryti ypač karštas? Pirmiausia, ką mes vadiname tarpžvaigždine terpe (ISM), arba erdvę tarp žvaigždžių, turime aprėpti ką nors pradinio. Erdvė nėra tuščia, kaip suponuotų jos pavadinimas. Erdvėje yra ir dujų, ir dulkių. Dujos, kuriomis mes daugiausia remiamės, yra vandenilis, gausiausias elementas visatoje. Kadangi Visata nėra vienoda (vienodas dujų ir dulkių tankis per kiekvieną kubinį metrą), yra kosmoso kišenių, kuriose yra daugiau dujų ir dulkių nei kitose. Tai verčia gravitaciją manipuliuoti šiomis kišenėmis, kad susilietų ir suformuotų tai, ką matome kaip ūką. Daugybė dalykų yra susiję su šių skirtingų ūkų kūrimu, tačiau tas, kurio mes ieškome, tamsusis ūkas, turi labai ypatingų savybių. Dabar pasinerkime į vieną iš šių tamsiųjų ūkų ir pažiūrėkime, kas vyksta.
Nusileidę pro šio ūko išorinius sluoksnius pastebime, kad dujų ir dulkių temperatūra yra labai žema. Kai kuriuose ūkuose temperatūra yra labai karšta. Kuo daugiau dalelių susilieja viena su kita, jaudindama išorės ir vidaus spinduliuotės absorbciją ir skleidimą, tai reiškia aukštesnę temperatūrą. Tačiau šiame Tamsiajame ūke vyksta atvirkščiai. Temperatūra mažėja toliau į debesį, kurį gausime. Priežastis, dėl kurios šie tamsieji ūkas turi specifinių savybių, kurios sukuria puikų žvaigždžių darželį, turi būti susijusios su pagrindinėmis ūko ir regiono tipo, kuriame yra debesis, savybėmis, kurios yra susijusios su keletu sunkių sąvokų, kurių aš iki galo neišaiškinsiu. čia. Jie apima regioną, kuriame formuojasi molekuliniai debesys, kurie vadinami neutraliais vandenilio regionais, ir šių regionų savybės turi priklausyti nuo elektronų sukinio verčių, kartu su magnetinio lauko sąveikomis, kurios veikia minėtus elektronus. Šis bruožas, kurį aš aprašysiu, leidžia šiam konkrečiam ūkiui subrendti žvaigždei formuotis.
Išskyrus sudėtingą mokslą, kuris padeda formuoti šiuos ūkus, mes galime pradėti spręsti pirmąjį klausimą, kodėl mes turime būti šaltesni, kad karščiau? Atsakymas patenka į sunkumą. Kai dalelės įkaista ar sužadinamos, jos greičiau juda. Pakankamos energijos debesyje bus per daug impulsų tarp visų dulkių ir dujų dalelių, kad būtų galima susidaryti bet kokio tipo formavimams. Kaip ir tada, jei dulkių grūdai ir dujų atomai juda per greitai, jie tiesiog atsitrauks vienas nuo kito arba tiesiog šaudys vienas pro kitą, niekada nepasiekdami jokio ryšio. Be šios sąveikos niekada negalėsite turėti žvaigždės. Tačiau jei temperatūra yra pakankamai šalta, dujų ir dulkių dalelės juda taip lėtai, kad jų abipusis sunkumas leis joms „prilipti“. Būtent šis procesas leidžia formuoti protostarį.
Paprastai tai, kas tiekia energiją, leidžiančią greičiau judėti dalelėms šiuose molekuliniuose debesyse, yra radiacija. Žinoma, Visatoje visą laiką yra radiacija, sklindanti iš visų pusių. Kaip matome kituose ūkuose, jie švyti energija ir žvaigždės negimsta tarp šių karštų dujų debesų. Juos kaitina išorinė kitų žvaigždžių spinduliuotė ir jos vidinė šiluma. Kaip šis tamsusis ūkas neleidžia išorinei spinduliuotei įkaisti debesyje esančioms dujoms ir sukelti joms judėti per greitai, kad gravitacija galėtų sulaikyti? Štai kur
šių tamsiųjų ūkelių pobūdis yra nepermatomas. Nepermatomumas yra tai, kiek šviesos gali judėti per objektą. Kuo daikte daugiau medžiagos ar kuo jis storesnis, tuo mažiau šviesos gali į jį prasiskverbti. Aukštesnio dažnio šviesai (gama spinduliams, rentgeno spinduliams ir UV spinduliams) ir net matomiems dažniams daugiau įtakos turi storos dujų ir dulkių kišenės. Tik žemesnio dažnio šviesos tipai, įskaitant infraraudonųjų spindulių, mikrobangų ir radijo bangas, sėkmingai skverbiasi į tokius debesų debesis, kurie yra šie, ir netgi yra šiek tiek išsibarstę taip, kad paprastai juose nėra pakankamai energijos, kad jie galėtų sutrikdyti šį netikrą pobūdį. žvaigždžių formavimo procesas. Taigi vidinės tamsių dujų debesų dalys yra efektyviai „apsaugotos“ nuo išorinės radiacijos, suardančios kitus, mažiau nepermatomus ūkus. Kuo mažiau spinduliuotės pateks į debesį, tuo žemesnė jame esančių dujų ir dulkių temperatūra. Šaltesnė temperatūra reiškia mažesnį dalelių judėjimą debesyje, o tai yra svarbiausia tai, ką mes aptarsime toliau.
Iš tiesų, nusileisdami link šio tamsaus molekulinio debesies branduolio, pastebime, kad vis mažiau matomos šviesos sklinda į mūsų akis, ir su specialiais filtrais galime pastebėti, kad tai pasakytina apie kitus šviesos dažnius. Dėl to debesies temperatūra yra labai žema. Verta paminėti, kad žvaigždžių formavimo procesas užtrunka labai ilgai, ir norėdami, kad jūs neskaitytumėte šimtus tūkstančių metų, dabar spartinsime laiką. Per keletą tūkstančių metų gravitacija iš aplinkinio molekulinio debesies pritraukė nemažą kiekį dujų ir dulkių, todėl jis susikaupė. Dulkės ir dujų dalelės, vis dar apsaugotos nuo išorinės radiacijos, gali natūraliai susilieti ir „prilipti“ prie tokios žemos temperatūros. Galų gale pradeda atsitikti kažkas įdomaus. Dėl abipusio šio vis augančio dujų ir dulkių rutulio atsiranda sniego gniūžtės (arba žvaigždės rutulio) efektas. Kuo daugiau dujų ir dulkių sluoksnių, kurie kartu krešėja, tuo tankesnis šio protostaro vidus. Šis tankis padidina gravitacinę jėgą šalia protostaro, taigi į jį patraukiama daugiau medžiagos. Su kiekvienu kaupiamu dulkių grūdu ir vandenilio atomu padidėja slėgis šio dujų rutulio viduje.
Jei prisimenate ką nors iš bet kurios chemijos klasės, kurią kada nors lankėtės, dirbdami su dujomis galite prisiminti labai ypatingą slėgio ir temperatūros santykį. Į galvą ateina PV = nRT, idealių dujų įstatymas. Išskyrus nuolatinę skaliarinę vertę „n“ ir dujų konstantą R ({8,314 J / mol x K}) ir išskaičiavus temperatūrą (T), gauname T = PV, tai reiškia, kad dujų debesies temperatūra yra tiesiogiai proporcinga slėgti. Padidėjus slėgiui, padidėja ir temperatūra. Netrukus žvaigždės, gyvenančios šiame Tamsiajame ūke, branduolys tampa labai tankus, o slėgis didėja. Pagal tai, ką ką tik apskaičiavome, tai reiškia, kad temperatūra taip pat didėja.
Mes dar kartą apsvarstysime šį ūką kitam žingsniui. Šiame ūke yra daug dulkių ir dujų (taigi jis yra nepermatomas), tai reiškia, kad jis turi daug medžiagos mūsų protostariui tiekti. Jis toliau traukia dujas ir dulkes iš supančios aplinkos ir pradeda įkaisti. Vandenilio dalelės šio objekto šerdyje sukasi taip greitai, kad skleidžia energiją į žvaigždę. Protostaris pradeda labai įkaisti ir dabar švyti radiacija (paprastai infraraudonųjų spindulių). Šiuo metu gravitacija vis tiek pritraukia daugiau dujų ir dulkių, kurios didina slėgį, daromą giliai šio protostaro šerdyje. Tamsiojo ūko dujos savaime susitrauks, kol neįvyks kažkas svarbaus. Kai šalia žvaigždės beveik nieko nelieka, kad kristų ant jos paviršiaus, ji pradeda prarasti energiją (dėl to, kad spinduliuoja kaip šviesa). Kai tai atsitiks, ta išorinė jėga sumažėja, o gravitacija žvaigždę pradeda traukti greičiau. Tai labai padidina slėgį šio protostaro šerdyje. Didėjant slėgiui, temperatūra šerdyje pasiekia vertę, kuri yra nepaprastai svarbi procesui, kurį mes stebime. Protostaro šerdis tapo tokia tanki ir karšta, kad ji siekia maždaug 10 milijonų kelvinų. Žvelgiant į tai, ši temperatūra yra maždaug 1700x šiltesnė nei mūsų saulės paviršiaus (maždaug 5800K). Kodėl 10 milijonų kelvinų yra toks svarbus? Kadangi toje temperatūroje gali įvykti termobranduolinis vandenilio susiliejimas ir, prasidėjus suliejimui, ši naujagimio žvaigždė „įsijungia“ ir sprogo gyvenimui, išsiųsdama didžiulį energijos kiekį į visas puses.
Šerdyje yra taip karšta, kad elektronai, kurie zip aplink vandenilio protonų branduolius, yra užtraukti (jonizuoti), o viskas, ką turite, yra laisvai judantys protonai. Jei temperatūra nėra pakankamai karšta, šie laisvai skraidantys protonai (turintys teigiamą krūvį) tiesiog nublanks vienas nuo kito. Tačiau esant 10 milijonų kelvinų protonai juda taip greitai, kad gali priartėti pakankamai arti, kad stiprią branduolinę jėgą galėtų perimti, o kai tai įvyks, vandenilio protonai pradės slysti vienas į kitą su pakankamai jėga, kad susilietų kartu, sukurdami Helio atomai ir išskiria daug energijos radiacijos pavidalu. Tai grandininė reakcija, kurią galima apibendrinti taip, kad 4 protonai suteikia 1 helio atomą + energiją. Šis susiliejimas yra tas, kuris uždegina žvaigždę ir priverčia ją „sudegti“. Dėl šios reakcijos išsiskirianti energija padeda kitiems vandenilio protonams susilieti ir taip pat tiekia energiją, kad žvaigždė nesugriūtų. Energija, kuri išsiurbia iš šios žvaigždės visomis kryptimis, gaunama iš šerdies, o paskesni šios jaunos žvaigždės sluoksniai perduoda šilumą savaip (naudodamiesi radiacijos ir konvekcijos metodais, atsižvelgiant į tai, kokia žvaigždutė gimė). .
Tai, ką mes matėme dabar, nuo pat kelionės pradžios, kai leidomės į šaltą tamsų ūką, gimė jauna, karšta žvaigždė. Ūkas apsaugojo šią žvaigždę nuo kintančios radiacijos, kuri būtų sutrikdžiusi šį procesą, taip pat suteikė šaltą aplinką, reikalingą gravitacijai, kad galėtų sulaikyti ir panaudoti savo magiją. Matydami protostaro formą, mes taip pat galbūt matėme kažką neįtikėtino. Jei šio ūko turinys yra teisingas, pavyzdžiui, turintis daug sunkiųjų metalų ir silikatų (likusių nuo ankstesnių, masyvesnių žvaigždžių supernovų), ką mes galime pradėti pastebėti, planetų susidarymas įvyks medžiaga aplink protostarą.
Netoli mūsų naujosios žvaigždės likusios dujos ir dulkės pradės formuoti tankias kišenes tuo pačiu mechanizmu
gravitacija, galų gale galinti išsiskirti į protoplanetes, kurias sudarys dujos arba silikatai ir metalas (arba jų abiejų derinys). Atsižvelgiant į tai, planetų formavimasis mums vis dar yra šiek tiek paslaptis, nes atrodo, kad yra dalykų, kurių dar negalime paaiškinti. Bet atrodo, kad šis žvaigždžių sistemos formavimo modelis veikia gerai.
Žvaigždės gyvenimas nėra toks įdomus kaip jos gimimas ar mirtis. Mes ir toliau sparčiai keisime laikrodį ir stebėsime, kaip keičiasi ši žvaigždžių sistema. Per keletą milijardų metų Tamsiojo ūko liekanos buvo susmulkintos ir taip pat suformavo kitas žvaigždes, tokias, kokias matėme, ir jos nebėra. Planetos, kurias mes matėme besiformuojančias protostatui augant, pradėjo savo milijardų metų šokį aplink savo tėvo žvaigždę. Galbūt viename iš šių pasaulių egzistuoja skystas vanduo, kuris yra tinkamu atstumu nuo žvaigždės. Tame vandenyje yra aminorūgščių, reikalingų baltymams (visi sudaryti iš elementų, kurie liko po ankstesnių žvaigždžių išsiveržimų). Šie baltymai sugeba susieti ir pradėti formuoti RNR grandines, vėliau - DNR grandines. Galbūt po kelių milijardų metų po žvaigždės gimimo mes matome, kaip kosmose sklindančios rūšys paleidžia save į kosmosą, o gal niekada dėl įvairių priežasčių to nepasiekia ir lieka planetos ribose. Žinoma, tai tik spekuliacijos mūsų pasilinksminimui. Tačiau dabar artėjame prie kelionės, kuri prasidėjo prieš milijardus metų, pabaigos. Žvaigždė pradeda mirti.
Vandenilis, esantis jo branduolyje, yra lydomas į helį, kuris laikui bėgant sunaikina vandenilį; žvaigždei pritrūksta dujų. Po daugelio metų vandenilio sintezės procesas pradeda sustoti, o žvaigždė išleidžia vis mažiau energijos. Šis suliejimo proceso išorinio slėgio trūkumas sutrikdo tai, ką mes vadiname hidrostatiniu pusiausvyra, ir leidžia laimėti gravitacijai (kuri visada bando sutraiškyti žvaigždę). Žvaigždė pradeda greitai trauktis pagal savo svorį. Bet, kaip jau aptarėme anksčiau, didėjant slėgiui, didėja ir temperatūra. Visas tas Helis, kuris liko
nuo milijardų metų vandenilio sintezė dabar pradeda įkaisti šerdyje. Helis susilieja daug karštesnėje temperatūroje nei vandenilis, tai reiškia, kad helio turtingas šerdis gali būti paspaustas į vidų sunkio jėgos dėka, nesusiliedamas (dar). Kadangi helio branduolyje nevyksta susiliejimas, išorės jėgos (kurios išsiskiria susiliejus) nėra labai nedaug arba jos nėra, kad šerdis nesugriūtų. Šis reikalas tampa daug tankesnis, kurį mes dabar vadiname degeneravusiu, ir išstumia didžiulius šilumos kiekius (gravitacinė energija tampa šilumine energija). Dėl to likęs vandenilis, esantis vėlesniuose sluoksniuose virš helio šerdies, susilieja, todėl žvaigždė labai išsiplečia, nes šis vandenilio apvalkalas nedega. Dėl šios priežasties žvaigždė „atsigauna“ ir ji greitai plečiasi; energingesnė sintezė iš vandenilio apvalkalų, esančių už šerdies, labai išplečia žvaigždės skersmenį. Mūsų žvaigždė dabar yra raudonas milžinas. Kai kurias, jei ne visas vidines planetas, kurias matėme, sudegins ir praryja žvaigždė, kuri jiems pirmą kartą suteikė gyvybę. Jei bet kurioje iš tų planetų, kurioms nepavyko palikti savo gimtojo pasaulio, nutiks bet koks gyvenimas, jos tikrai bus ištrintos iš visatos, apie kurias niekada nebus žinoma.
Šis žvaigždės procesas baigsis degalais (pirmiausia vandenilis, tada helis ir tt ...) kurį laiką tęsis. Galų gale šerdyje esantis helis pasieks tam tikrą temperatūrą ir pradės lydyti į anglį, kuri atitolins žvaigždės griūtį (ir mirtį). Žvaigždė, kurią šiuo metu žiūrime gyvai ir miršta, yra vidutinio dydžio pagrindinės sekos žvaigždė, todėl jos gyvenimas baigiasi, kai ji baigs sulydyti Helį
Anglies. Jei žvaigždė būtų daug didesnė, šis suliejimo procesas vyktų tol, kol mes pasiektume Geležį. Geležis yra elementas, kuriame sintezė nevyksta savaime, tai reiškia, kad jai sulieti reikia daugiau energijos, nei ji išsiskiria po suliejimo. Tačiau mūsų žvaigždė niekada nepateks į jos branduolį Geležį ir todėl ji mirė išnaudojusi savo helio rezervuarą. Kai susiliejimo procesas galutinai „išsijungia“ (nelieka dujų), žvaigždė pamažu pradeda vėsti, o išoriniai žvaigždės sluoksniai išsiplečia ir išmetami į kosmosą. Vėlesni žvaigždžių medžiagos išmetimai sukuria tai, ką mes vadiname planetų ūku, ir viskas, kas liko iš kadaise buvusios ryškios žvaigždės, kurią stebėjome pavasarį, yra tik tankus anglies rutulys, kuris vėsis visą likusį amžinybę, galbūt kristaluojasi į deimantą.
Mirtis, kurią mes ką tik matėme, nėra vienintelis būdas mirti žvaigždei. Jei žvaigždė yra pakankamai didelė, jos mirtis yra daug žiauresnė. Žvaigždė išsiveržs į didžiausią sprogimą visatoje, vadinamą supernova. Atsižvelgiant į daugelį kintamųjų, žvaigždės likučiai gali tapti neutronine žvaigžde ar net juoda skyle. Bet didžiąją dalį to, ką mes vadiname vidutinio dydžio pagrindinėmis sekų žvaigždėmis, mirtis, kurią mes buvome liudijusi, bus jų likimas.
Mūsų kelionė baigiasi tuo, kad apmąstome, ką pastebėjome. Pamačius tik tai, ką gamta gali padaryti atsižvelgiant į tinkamas aplinkybes, ir stebint labai šaltų dujų ir dulkių debesį, virsta kažkas, kas gali įkvėpti gyvybę kosmosui. Mūsų protas atsigręžia į tas rūšis, kurios galėjo išsivystyti vienoje iš tų planetų. Jūs galvojate apie tai, kaip jie galėjo išgyventi panašius į mus etapus. Žvaigždes galima naudoti kaip antgamtines dievybes, kurios tūkstančius metų vadovavosi jų įsitikinimais, o atsakymus pakeitė ten, kur karaliavo jų nežinojimas. Šie įsitikinimai gali virsti religijomis, vis dar suvokdami ypatingos atrankos ir didingos minties sampratą. Ar žvaigždės paskatins jų norą suprasti visatą taip, kaip žvaigždės padarė mus? Tuomet tavo protas apmąsto, koks bus mūsų likimas, jei nebandysime žengti kito žingsnio į visatą. Ar mes leidžiame ištrinti savo rūšis iš kosmoso, kai miršta mūsų žvaigždė? Ši kelionė, kurią ką tik nuėjote į tamsaus ūko širdį, iš tikrųjų parodo, ką gali nuveikti žmogaus protas, ir parodo, kaip toli mes nuėjome, net jei vis dar esame prisijungę prie savo saulės sistemos. Tai, ko išmokote, atrado kiti, pavyzdžiui, jūs tiesiog paklausėte, kaip viskas vyksta, ir tada visiškai atsikratykite mūsų fizikos žinių. Įsivaizduokite, ką galime nuveikti, jei tęsime šį procesą; sugebėti visiškai pasiekti savo vietą tarp žvaigždžių.
