Mgławica Orła, M-16 - Filary Stworzenia - NGC 6611 oddalona o 7000 ly - typowa gwiezdna kolebka, w której z gazu i pyłu tworzą się nowe, jasne i gorące gwiazdy
Olga Strogowa
Największe zapasy wody w Układzie
Słonecznym znajdują się na Słońcu. Molekuły wody w postaci pary koncentrują się
w plamach słonecznych, gdzie temperatura jest o 1500°C niższa, niż poza
plamami.
Na lekcji astronomii:
- Panie profesorze,
kiedy jak pan mówił, wybuchnie Słońce? Za trzy miliony czy trzy miliardy lat?
- Za trzy miliardy.
- Chwała Bogu, a ja
już zacząłem się martwić.
Mgławica Carina - zwana mgławicą Kila, NGC3372 - jeszcze jedna gwiezdna kolebka oddalona o 7500 ly od Ziemi
Kosmiczna
kolebka
Gwiazdy są jak ludzie, rodzą się,
żyją i umierają. I jeżeli rodzą się mniej więcej w jednakowy sposób, to swoją
drogę życiową przechodzą i umierają zupełnie różnym sposobem.
Zdecydowana większość dzisiejszych
badań astrofizycznych podpowiada nam, że gwiazdy rodzą się z gazowych obłoków.
Taki obłok nazywany jest „gwiezdną
kolebką” dziesiątki tysięcy razy większą od naszego Układu Słonecznego i
tysiące razy masywniejszą od Słońca.
„Gwiezdna kolebka” może przez
miliardy lat kręcić się wokół jakiejkolwiek galaktyki, póki nie nastąpi
konieczne do rozpoczęcia „fazy porodowej” wydarzenie. Może to być zderzenie z
drugą „kołyską”, przejście przez gęste ramię galaktyki spiralnej, albo fala
uderzeniowa wybuchu pobliskiej gwiazdy super- czy hipernowej.
I właśnie wtedy, w „gwiezdnej
kołysce” zachodzi grawitacyjny kolaps, to znaczy gwałtowny skurcz.
Pyłowo-gazowy obłok rozpada się na mniejsze fragmenty, zgęstki, z których część
zachowuje obłoczną strukturę, ale niektóre – te najmniejsze o masie <100 mS
(mas słonecznych) mogą uformować się w gwiazdy. Gaz w tych najmniejszych zgęstkach nagrzewa się w miarę skurczania się i
rezultacie zamienia się w protogwiazdę o dużej gęstości.
Diagram H-R
I
co dalej?
Przekształcenie się protogwiazdy w
gwiazdę zależy od tego, jak wysoką będzie temperatura w jej jądrze. Jeżeli
temperatura dosięgnie np. 10.000.000 K, to w jej jądrze rozpocznie się synteza
termojądrowa – przekształcenia się wodoru w hel. W środku nowonarodzonej
gwiazdy panuje hydrostatyczna równowaga i przerwany jest dalszy skurcz
grawitacyjny. Gwiazda stanie się stabilną i zacznie świecić.
[Reakcja syntezy termojądrowej w gwiezdnym „piecu” następuje
według następujących schematów (wg Wikipedii):
1. n + νe => 1H + e-
Gdzie n to neutron, νe to neutrino, 1H to proton (jądro atomu
wodoru), a e- to elektron. Proces ten jest konsekwencją oddziaływań
słabych (wymiany bozonu W). Podczas syntezy następuje odwrotny rozpad β (szybki antyelektron czyli pozytron):
2. 1H =>
n + e+ + νe
Reakcja ta, jako konsekwencja oddziaływań słabych, jest
bardzo powolna. Powoduje to, że gwiazdy świecą długo, a nie spalają się w
jednej chwili, lecz w ciągu milionów czy miliardów lat. W wyniku tej reakcji i
w wyniku oddziaływania jądrowego tworzy się deuter czyli 2H lub D –
izotop wodoru z dwoma nukleonami w jądrze:
3. 1H + 1H
=> 2H + e+ + νe
Reakcja ta jest niezmiernie wolna. Następna reakcja:
4. 1H + 2H
=> 3He + γ
prowadzi do powstania izotopu helu i kwantu gamma, po którym
następuje fuzja dwóch jąder helu:
5. 3He +
3He => 4He + 2p
Opisany powyżej ciąg reakcji jądrowych zwany jest cyklem
wodorowym. W pojedynczym cyklu tworzenia 1 jądra helu z 4 protonów emitowane
jest 26,7 MeV energii i jest to główne źródło energii gwiazd. Część energii
jest tracona przez uchodzące neutrina (1,6 MeV) – uwaga tłum.]
Z biegiem czasu wokół gwiazdy
powstaną planety, a na planetach może powstać życie.
Ale bywa inaczej. Bywają także
gwiazdy, które narodziły się „martwe”. Jeżeli temperatura w jadrze nie
„dociągnie” do temperatury syntezy termojądrowej, to gwiazda stanie się
brązowym karłem (o klasie widmowej M (ciemnoczerwony), L, T i Y (ciemnobrązowy,
niemal czarny) – przyp. tłum.) i bardzo szybko – w ciągu kilkudziesięciu
milionów lat – umierają. Gasną, zanim zdążą się rozpalić… na szczęście nasze
Słońce należy do pierwszej grupy i jemu jest sądzone długie (choć nie
nieskończone) gwiezdne życie.
[Kwestia istnienia brązowych
karłów jest niezmiernie interesująca i w najbliższym czasie zapoznam
Czytelników z artykułem Iana O’Neilla
o najzimniejszym z nich, na którym być może już istnieje życie organiczne – a
przynajmniej termofilne bakterie znane nam z terenów wulkanicznych oraz
abysalnych „kominów palaczy” w głębinach Wszechoceanu – uwaga tłum.]
Eksplozja Supernowej i...
„Inżynier” w fabryce?
Astrofizycy oceniają wiek Słońca
na 5 mld lat. według analogii z życiem człowieka, Słońce już wyszło z wieku
młodzieńczego, ale do starości mu jeszcze daleko. Jest już w wieku dojrzałym.
Należy powiedzieć, że w światowej
„gwiezdnej hierarchii” Słońce zajmuje położenie całkowicie średnie – już to ze
względu na masę, już to ze względu na światło siłę, już to ze względu na
położenie. I znów korzystając z analogii z ludzkim życiem – można powiedzieć,
że pracuje on jako zwykły inżynier w jakiej tam zwyczajnej rosyjskiej fabryce.
Mówiąc nawiasem, podobnie jest z
analogia do położenia Słońca pomiędzy dwoma ramionami: Strzelca (dokładniej w
Ramieniu Lokalnym zwanym Ramieniem Oriona – przyp. tłum.) i Ramieniem Perseusza
w Galaktyce Mlecznej Drogi w odległości 32.660 ly (25-28 tys. ly – przyp. tłum.)
od jej Centrum.
„Gwiezdna hierarchia” dla
astrofizyków to jest Diagram Hertzsprunga-Russela
(Diagram H-R), ukazujący zależność jasności gwiazdy od jej koloru i temperatury
powierzchni. Jak widzimy, Słońce znajduje się gdzieś pośrodku tzw. „ciągu
głównego” gwiazd, w którym znajduje się większość znanych nam gwiazd. Ot, takie
sobie zwyczajne, szeregowe świecidełko o klasie widmowej G, nie całkiem karzeł,
ale i nie gigant.
Plamy
na twarzy Słońca
5 mld lat nieprzerwanej syntezy
termojądrowej doprowadziło do tego, że 40% wodoru we wnętrzu Słońca już
przekształciło się w hel. Powierzchnia słońca powoli, ale stopniowo ostyga –
dzisiaj jej temperatura wynosi ok. 6000 K, co stanowi tysiące razy mniejszą
temperaturę od temperatury jego jądra i tysiące razy większą od temperatury
najcieplejszych zakątków Ziemi. I podobnie jak skóra na twarzy człowieka z
czasem pokrywa się plamami i zmarszczkami, tak „twarz” Słońca pokrywa się
plamami. Natura słonecznych plam nie jest do końca zbadana, zakłada się, że są
to strefy o niższej temperaturze w fotosferze Słońca i własnymi polami
magnetycznymi.
Co stanie się ze Słońcem i Układem
Słonecznym, kiedy w jego wnętrzu wypali się cały wodór? Czy skończy ono swe dni
w czarnym mrozie kosmicznym, czy na odwrót – skończy w błysku niewyobrażalnie
jasnego płomienia? I co najważniejsze dla nas, żyjących teraz – kiedy to może
się stać?
...jej efekt - Mgławica Krab, M-1, po SN-1054
Starość
i śmierć
Uspokoimy Czytelników – zgodnie z
wszystkimi astrofizycznymi teoriami, nastąpi to bardzo, ale to bardzo późno. Za
setki milionów, a może nawet miliardy lat, które oddziałają nas od tego
wydarzenia, wiec Ludzkość bez wątpienia znajdzie sposób ratunku. Dlatego te
wszystkie pytania o przyszłość Słońca mają jedynie wartość akademickiego
ćwiczenia.
Teraz rozpatrzymy
najpopularniejsze wśród astrofizyków scenariusze końca świata.
W ciągu 1-2 mld lat Słońce zacznie
się „starzeć”. Głównego „paliwa” termojądrowego – wodoru – będzie stawało się
coraz mniej, i Słońce wskutek naruszenia równowagi hydrostatycznej będzie
początkowo się powiększać w swych rozmiarach. Z przeciętnego świecidełka z
Głównego Ciągu przekształci się w czerwonego olbrzyma o rozmiarach równych
orbicie Merkurego.
Pozostałe bliskie Słońcu planety:
Wenus, Ziemia, Mars przekształcą się w bezwodne i pozbawione życia kamienne
kule. Języki korono sfery będą lizać powierzchnię Ziemi, a jego plazma będzie
hamować jej ruch, co z kolei spowoduje, że jej orbita z kołowej zmieni się w
spiralną. Być może, Ziemia w końcu wpadnie na Słońce, a być może nie, bowiem
czerwone olbrzymy żyją bardzo krótko – jakieś 100-200 mln lat. W tym czasie
ostatnie atomy wodoru zamienia się w hel, ten cykl przemian termojądrowych się
zakończy i rozdęte Słońce zacznie powoli klęsnąć – zapadać się w głąb siebie…
Kolaps grawitacyjny przebiega
bardzo szybko, i w czasie kilku miesięcy Słońce zamieni się w gwiazdkę o
rozmiarach Ziemi, ale bardzo jasnego białego karła. Zaś po kilkunastu milionach
lat, stanie się on czarnym karłem – supergęstym i ostatecznie „martwym”
obiektem kosmicznym, które tylko swą masą i siłą grawitacji przypominające
dawne źródło światła.
Inny
scenariusz
Jednakże wszystko może przebiegać
inaczej. Jak człowiek umiera czasami przed czasem z powodu choroby czy wypadku,
tak i nasze Słońce może nie dożyć do odmierzonej dla niego granicy. Takim tragicznym
dla gwiazdy wydarzeniem może stać się wybuch jej jako Supernowej.
Przekształcenie Słońca w Supernową
nie jest możliwe ze względu na jego małą masę ale tym niemniej jest to możliwe.
(Słońce znajduje się poza tzw. granicą Chandrasekhara,
która wynosi 1,44 Ms – a zatem nie grozi mu przemiana w Supernową –
przyp. tłum.)
Rzecz w tym, że pomimo wypalenia
się wodoru w hel, we wnętrzu gwiazdy mogą mieć miejsce kolejne reakcje
termojądrowe. Kiedy (i jeżeli!) zgromadzona w jądrze masa helu stanie się dostatecznie
duża, to jądro nie wytrzyma swej masy i zaczyna się kurczyć grawitacyjnie, a
temperatura i ciśnienie mogą zapoczątkować kolejna przemianę – helu w węgiel.
Ciąg przemian termojądrowych będzie wyglądał tak:
H => He
=> C => O => Si => Fe
Oczywiście każda przemiana będzie
wydzielać kolosalne ilości energii.
Podobnie jak w przypadku
nowotworu, we wnętrzu takiej gwiazdy pojawia się nowe żelazne jądro. I będzie
ono rosło do tego czasu, aż rosnąca grawitacja nie załamie struktur wszystkich
atomów. Powłoki elektronowe atomów runą na ich jądra, przekształcając protony w
neutrony. Samo jadro gwiazdy zmniejszy się milion razy, a pomiędzy nim a
atmosferą gwiazdy pojawi się strefa próżni, do której wpadną warstwy zewnętrzne
rozgrzewając się do superwysokich temperatur.
Tylko nie będzie gdzie spadać, bo
neutronowe jądro odrzuci zewnętrzne warstwy jak rakieta tenisisty odbija
piłeczkę.
I wtedy odbite warstwy eksplodują,
a gwiazda przekształci się w Supernową.
Jeżeli coś takiego stanie się z
naszym Słońcem, to w czasie kilku miesięcy będzie ono wypromieniowało w każdej
sekundzie tyle energii, ile wyemitowałoby ono w czasie 10.000 lat. I jakieś
istoty rozumne obserwujące Układ Słoneczny z bezpiecznej odległości – gdzieś w
Mgławicy Andromedy – będą obserwować pojawienie się jasno świecącego obiektu na
ich niebie.
[Należy tutaj dodać, że w tym czasie M-31 będzie coraz
bliżej Galaktyki i w czasie 2-3 mld lat zderzy się z Drogą Mleczną, dlatego to
widowisko byłoby jeszcze bardziej spektakularne! – uwaga tłum.]
A być może, będą to nie tylko
istoty rozumne, ale nasi potomkowie. No bo w przypadku mało wiarygodnego
zdarzenia przekształcenia się Słońca w Supernową, to będą mieli oni
dostatecznie dużo czasu, całe dziesiątki milionów lat, żeby znaleźć dla siebie
nowe światy i dotrzeć do nich.
Tekst i ilustracje – „Tajny XX
wieka” nr 32/2015, ss. 4-5
Przekład z j.
rosyjskiego – Robert K. Leśniakiewicz ©
