Neis on midagi, mis intrigeerib meid kõiki. Nende taevaküünalde kummardamine võib olla seotud paljude inimkonna usunditega. Egiptlaste jaoks oli päike jumal Ra, kes iga päev öö hävitas ja maadele valgust ja soojust tõi. Kreeklaste jaoks oli Apollo see, kes vedas oma leegitsevat vankrit üle taeva, valgustades maailma. Isegi kristluses võib Jeesust öelda, et ta esindab päikest, võttes arvesse silmatorkavaid omadusi, mis tema lool on iidsete astroloogiliste uskumuste ja figuuridega. Tegelikult käivad paljud iidsed uskumused sarnast rada, mis kõik seovad oma päritolu päikese ja tähtede kummardamisega.
Inimkond õitses tähtedest öötaevas, sest nad leidsid korrelatsiooni mustris, milles teatud tähekujundused (tuntud tähtkujudena) esindasid kindlat aega aastases tsüklis. Üks neist tähendas, et varsti pidi soojenema, mis viis toidu istutamiseni. Teised tähtkujud nägid ette a tulekut
külmem periood, nii et saite hakata toitu ladustama ja küttepuid koguma. Inimkonna teekonnal edasi liikudes said tähed seejärel navigeerimise viisiks. Tähtede ääres purjetamine oli viis, kuidas ringi liikuda, ja võlgneme varase uurimise tähtkujude mõistmisele. Mitmete kümnete tuhandete aastate jooksul, mil inimese silmad on taeva poole ülespoole vaadanud, hakkasime alles suhteliselt hiljuti mõistma täielikult, mis tähed tegelikult olid, kust nad tulid ning kuidas nad elasid ja surid. Seda arutame selles artiklis. Tulge minuga kaasa, kui me julgeme sügavalt kosmosesse minna ja füüsika tunnistajad on suured, kui ma kaan, kuidas täht sünnib, elab ja lõpuks sureb.
Alustame oma teekonda rännates välja universumisse, otsides midagi erilist. Otsime ainulaadset ülesehitust, kus oleksid olemas nii õiged asjaolud kui ka koostisosad. Otsime, mida astronoom nimetab tumedaks udukoguks. Olen kindel, et olete varem udukogudest kuulnud ja pole kahtlemata neid näinud. Paljud Hubble'i kosmoseteleskoobi hämmastavad pildid on kaunitest gaasipilvedest, mis hõõguvad miljardite tähtede taustal. Nende värvid ulatuvad sügavatest punastest kuni eredate sinikate ja isegi mõne jubeda rohelisuseni. See pole seda tüüpi udukogu, mida otsime. Vajalik udukogu on tume, läbipaistmatu ja väga-väga külm.
Võite endamisi imestada: "Miks otsime midagi pimedat ja külma, kui tähed on heledad ja kuumad?"
Tõepoolest, see on midagi, mis alguses tundus mõistatuslik. Miks peab kõigepealt külm olema, enne kui see võib eriti kuumaks minna? Esiteks peame katma midagi elementaarset selle kohta, mida me nimetame tähtedevaheliseks meediumiks (ISM) või tähtede vaheliseks ruumiks. Ruum pole tühi, nagu selle nimi viitaks. Kosmos sisaldab nii gaasi kui ka tolmu. Gaas, millele me peamiselt viidame, on vesinik, kõige rikkalikum element universumis. Kuna universum pole ühtlane (gaasi ja tolmu tihedus on sama iga kuupmeetri kohta), on ruumi taskuid, mis sisaldavad rohkem gaasi ja tolmu kui teised. See põhjustab gravitatsiooni, et manipuleerida nende taskutega, et tulla kokku ja moodustada see, mida me näeme ududena. Nende erinevate udukogude moodustamisse lähevad paljud asjad, kuid sellel, mida me otsime, tumedal udukogul, on väga erilised omadused. Nüüd sukeldugem ühte neist tumedatest udukogudest ja vaatame, mis edasi saab.
Selle udukogu väliste kihtide kaudu laskudes märkame, et gaasi ja tolmu temperatuur on väga madal. Mõnes udus on temperatuurid väga kuumad. Mida rohkem osakesi põrkub üksteise sisse, seda ergutades välis- ja sisekiirguse neeldumine ja eraldumine, tähendab kõrgemat temperatuuri. Kuid selles Pimedas udukogus toimub vastupidine olukord. Temperatuurid langevad veelgi meie pilve. Põhjus, miks neil tumedatel udukogudel on spetsiifilised omadused, mis loovad suurepärase tähelasteaia, peavad tegelema udukogu ja piirkonnatüübi põhiliste omadustega, milles pilv eksisteerib. Sellel on mõned keerulised mõisted, mida ma ei illustreeri täielikult siin. Nende hulka kuulub piirkond, kus moodustuvad molekulaarpilved, mida nimetatakse neutraalseteks vesiniku piirkondadeks, ja nende piirkondade omadused peavad käsitlema elektronide spin-i väärtusi koos nimetatud elektrone mõjutavate magnetvälja interaktsioonidega. Tunnused, mida ma katan, võimaldavad sellel konkreetsel udukogul tähe moodustamiseks küpsed olla.
Kui välja arvata keerukas teadus, mis aitab neid uduseid moodustada, võime hakata tegelema esimese küsimusega, miks peaksime kuumemaks minema. Vastus taandub raskusele. Kui osakesed kuumutatakse või erutuvad, liiguvad nad kiiremini. Piisava energiaga pilv sisaldab tolmu ja gaasi osakeste seas liiga palju hoogu, et tekkida igat tüüpi moodustisi. Nagu tolmus, kui tolmu terad ja gaasi aatomid liiguvad liiga kiiresti, põrkavad nad lihtsalt üksteisest eemale või lasevad teineteisest lihtsalt mööda, saavutamata kunagi mingit tüüpi sidemeid. Ilma selle suhtluseta ei saa te kunagi tähte olla. Kuid kui temperatuurid on piisavalt külmad, liiguvad gaasi ja tolmu osakesed nii aeglaselt, et nende vastastikune raskusjõud võimaldab neil hakata "kleepuma". Just see protsess võimaldab protostari moodustumist.
Üldiselt varustab energiat see, et osakeste kiirem liikumine neis molekulaarpilvedes oleks radiatsioon. Muidugi on universumis igal ajal kõikidest suundadest pärit kiirgus. Nagu näeme teiste udukogude puhul, hõõguvad nad energiaga ja tähti ei sünni nende kuumade gaasipilvede keskel. Neid soojendab teiste tähtede väline kiirgus ja tema enda sisemine soojus. Kuidas takistab see tume udukogu välist kiirgust kuumutamas pilves olevat gaasi ja põhjustavat selle liikumist liiga kiiresti, et gravitatsioon haarduda saaks? See on koht, kus
mängu tuleb nende tumedate udukogude läbipaistmatu olemus. Läbipaistmatus on selle mõõt, kui palju valgust suudab objektist liikuda. Mida rohkem on esemes materjali või mida paksem see on, seda vähem valgust suudab see tungida. Kõrgema sagedusega valgust (gammakiirgus, röntgenikiirgus ja ultraviolettkiirgus) ja isegi nähtavaid sagedusi mõjutavad rohkem paksud gaasi- ja tolmutaskud. Ainult madalama sagedusega valgustüüpidel, sealhulgas infrapuna-, mikrolaine- ja raadiolainetel, on selliste gaasipilvede tungimine edukas ja isegi see on mõnevõrra hajutatud, nii et üldiselt ei sisalda need peaaegu piisavalt energiat, et seda ebakindlat olukorda häirida tähtede moodustumise protsess. Seega on tumedate gaasipilvede sisemised osad "kaitstud" välise kiirguse eest, mis häirib teisi vähem läbipaistmatuid udusid. Mida vähem on pilve tekitavat kiirgust, seda madalam on gaasi ja tolmu temperatuur selles. Külmem temperatuur tähendab vähem osakeste liikumist pilves, mis on võtmetähtsus selles, mida järgmisena arutame.
Tõepoolest, laskudes selle tumeda molekulaarse pilve tuuma poole, märkame, et üha vähem nähtav valgus teeb seda meie silmadele ja spetsiaalsete filtrite abil näeme, et see kehtib ka teiste valguse sageduste kohta. Selle tagajärjel on pilve temperatuur väga madal. Väärib märkimist, et tähtede moodustumise protsess võtab väga kaua aega ja selleks, et mitte hoida teid lugemas sadu tuhandeid aastaid, liigume nüüd edasi. Mõne tuhande aasta jooksul on gravitatsioon ümbritsevast molekulaarpilvest sisse viinud üsna suurel hulgal gaasi ja tolmu, põhjustades selle kokku kogunemise. Tolmu ja gaasi osakesed, mis on endiselt väliskiirguse eest varjestatud, võivad looduslikult kokku tulla ja "kinni jääda" sellistel madalatel temperatuuridel. Lõpuks hakkab juhtuma midagi huvitavat. Selle üha kasvava gaasi- ja tolmupalli vastastikune raskusjõud tekitab lumepalli (või tähepall) efekti. Mida rohkem gaasi ja tolmu kihte omavahel hüübivad, seda tihedamaks selle protostari sisemus muutub. See tihedus suurendab protostari lähedal olevat gravitatsioonijõudu, tõmmates sellega sinna rohkem materjali. Iga tolmutera ja vesinikuaatomi abil, millesse see koguneb, suureneb selle gaasiballi rõhk.
Kui mäletate midagi suvalisest keemiaklassist, võite meenutada gaasi käsitlemisel väga erilist rõhu ja temperatuuri vahelist seost. PV = nRT, ideaalse gaasi seadus, tuleb meelde. Kui jätta välja püsiv skalaarväärtus n ja gaasikonstant R ({8,314 J / mol x K}) ning lahendada temperatuur (T), saame T = PV, mis tähendab, et gaasipilve temperatuur on otseselt proportsionaalne survestama. Kui suurendate rõhku, tõstate temperatuuri. Selle Pimedas udukogu peagi saabuva tähe tuum on muutumas väga tihedaks ja rõhk tõuseb kiiresti. Äsja arvutatud andmete kohaselt tähendab see ka temperatuuri tõusu.
Kaalume seda udukogu veelkord järgmise sammuna. Selles udus on palju tolmu ja gaasi (seega on see läbipaistmatu), mis tähendab, et sellel on meie protostari toitmiseks palju materjali. Ta tõmbab jätkuvalt gaasi ja tolmu ümbritsevast keskkonnast ning hakkab soojenema. Selle objekti tuumas olevad vesinikuosakesed põrkavad ümber nii kiiresti, et eraldavad tähesse energiat. Protostar hakkab väga kuumaks minema ja nüüd hõõgub see kiirgust (tavaliselt infrapunakiirgust). Sel hetkel tõmbab gravitatsioon endiselt rohkem gaasi ja tolmu, mis lisab rõhku, mis avaldub sügaval selle protostari tuumas. Pimeda udukogu gaas variseb iseenesest edasi, kuni juhtub midagi olulist. Kui tähe lähedal pinnale langemiseks on jäänud vaid midagi, hakkab see energiat kaotama (valguskiirguse tõttu). Kui see juhtub, väheneb see väline jõud ja gravitatsioon hakkab tähe kiiremini kokku tõmbama. See suurendab märkimisväärselt rõhku selle protostari tuumas. Rõhu tõustes saavutab temperatuur südamikus väärtuse, mis on ülioluline protsessi jaoks, mille tunnistajaks oleme. Protostari tuum on muutunud nii tihedaks ja kuumaks, et see ulatub umbes 10 miljoni kelvini. Vaadates perspektiivi, on see temperatuur umbes 1700x kuumem kui meie päikese pind (umbes 5800 K). Miks on 10 miljonit Kelvinit nii oluline? Kuna sellel temperatuuril võib toimuda vesiniku termotuumasüntees ja kui tuumasüntees algab, siis see vastsündinud täht “lülitub sisse” ja lõhkeb elule, saates välja suures koguses energiat igas suunas.
Tuumas on nii kuum, et vesiniku prootoni tuumade ümber tõmbelised elektronid eemaldatakse (ioniseeruvad) ja kõik, mis teil on, on vabalt liikuvad prootonid. Kui temperatuur pole piisavalt kuum, pilguvad need vabalt lendavad prootonid (millel on positiivsed laengud) lihtsalt üksteisele otsa. 10 miljoni kelvini juures liiguvad prootonid siiski nii kiiresti, et pääsevad piisavalt lähedale, et Tugev Tuumajõud saaks võimust võtta, ja kui see juhtub, hakkavad vesiniku prootonid üksteise sisse sulama piisavalt jõuga, et need kokku sulanduda, luues Heeliumiaatomid ja vabastavad palju energiat kiirguse vormis. See on ahelreaktsioon, mille võib kokku võtta nii, et 4 prootonit annavad 1 heeliumiaatomi + energiat. See sulandumine on see, mis tähe süttib ja põhjustab selle põlemist. Selle reaktsiooni käigus vabanev energia aitab teistel vesiniku prootonitel sulanduda ja tarnib energiat ka selleks, et täht iseenesest kokku ei kukuks. Sellest tähest igas suunas välja pumbatav energia tuleb kõik tuumast ja selle noore tähe järgnevad kihid edastavad kõik selle soojuse omal moel (kasutades kiirgus- ja konvektsioonimeetodeid sõltuvalt sellest, mis tüüpi täht on sündinud) .
See, mida oleme nüüd tunnistajaks olnud, alates oma teekonna algusest, kui suundusime sellesse pimedasse udukogu, on noore, kuuma tähe sünd. Udu kaitses seda tähte eksitava kiirguse eest, mis oleks seda protsessi seganud, ning pakkus ka külma pinna, mis oli vajalik gravitatsioonil, et oma maagiat kinni hoida ja töötada. Protostari vormi tunnistajana nägime võib-olla ka midagi uskumatut. Kui selle udukogu sisu on õige, näiteks kui sellel on palju raskmetalle ja silikaate (mis on jäänud varasemate massiivsemate tähtede supernoovadest), võiksime näha planeetide moodustumist materjal protostari ümber.
Gaas ja tolm meie uue tähe läheduses hakkavad moodustama tihedaid taskuid sama mehhanismi abil
gravitatsioon, mis lõpuks suudab akroneeruda protoplaneetideks, mis koosnevad gaasist või silikaatidest ja metallist (või nende kahe kombinatsioonist). Sellegipoolest on planeetide moodustumine meie jaoks endiselt pisut müsteerium, kuna näib, et on asju, mida me ei saa veel tööl lahti seletada. Kuid näib, et see tähesüsteemi moodustamise mudel töötab hästi.
Tähe elu pole peaaegu nii põnev kui tema sünd või surm. Jätkame kella edasiliikumist ja jälgime, kuidas see tähesüsteem areneb. Mõne miljardi aasta jooksul on Pimeduse udukogu jäänused laiali puhutud ja neist on moodustunud ka teisi tähti, nagu see, kelle tunnistajaks olime, ja seda pole enam olemas. Planeedid, mida me nägime protostari kasvades moodustamas, alustasid oma miljardit aastat kestvat tantsu oma vanema tähe ümber. Võib-olla on ühes neist maailmadest, mis asub tähest kõigest õigel kaugusel, vedel vesi. Selles vees sisaldab aminohappeid, mis on vajalikud valkude jaoks (kõik koosnevad elementidest, mis olid jäänud varasemate tähepurskete alla). Need valgud on võimelised ühendama, moodustades RNA ahelaid, seejärel DNA ahelaid. Võib-olla näeme ühel hetkel, mõni miljard aastat pärast tähe sündi, kosmoses liikuvaid liike, kes lasevad end kosmosesse, või võib-olla ei saavuta nad seda erinevatel põhjustel ja jäävad planeedile. Muidugi on see vaid lõbutsemise spekulatsioon. Nüüd jõuame aga miljardite aastate eest alanud reisi lõppu. Täht hakkab surema.
Selle tuumas olev vesinik sulatatakse heeliumiks, mis aja jooksul vesinikku ammendab; tähega on kütus otsa saanud. Pärast paljude aastate möödumist hakkab vesiniku termotuumasünteesi protsess peatuma ja täht kulutab üha vähem energiat. See termotuumasünteesi välise rõhu puudumine häirib seda, mida me nimetame hüdrostaatiliseks tasakaaluks, ja võimaldab gravitatsioonil (mis alati üritab tähte purustada) võitu saada. Täht hakkab oma raskuse all kiiresti kahanema. Kuid nagu rõhutasime varem, tõuseb rõhk, nii ka temperatuur. Kogu see heelium, mis üle jäi
miljardeid aastaid kestnud vesiniku termotuumasüntees hakkab nüüd südamikus soojenema. Heelium sulandub palju kuumemal temperatuuril kui vesinik, mis tähendab, et heeliumirikast südamikku on võimalik gravitatsiooni abil sissepoole suruda, ilma et see sulanduks (veel). Kuna sulandumist heeliumi tuumas ei toimu, on tuuma kokkuvarisemise vältimiseks väike jõud (see eraldub sulandumisel) või puudub see üldse. See asi muutub palju tihedamaks, mida me nüüd märgime kui degenereerunud, ja see surub välja tohutu hulga soojust (gravitatsiooniline energia muutub soojusenergiaks). See põhjustab järelejäänud vesiniku, mis on järgmistes kihtides heeliumi tuuma kohal, sulandumise, mille tõttu täht suureneb, kuna see vesiniku kest põleb kontrolli alt. See paneb tähe tagasilöögi ja see laieneb kiiresti; energeetilisem liitmine vesiniku kestadest väljaspool südamikku laiendab tähe läbimõõtu suuresti. Meie täht on nüüd punane hiiglane. Mõni, kui mitte kõik siseplaneedid, mille tunnistajaks me olime, põletatakse ja neelab täht, kes neile esmakordselt elu andis. Kui mõnel planeedil juhtuks elu, millel ei õnnestunud kodumaailmast lahkuda, kustutatakse need kindlasti universumist, millest kunagi teada ei saa.
See protsess, kus tähel on kütus otsa saanud (kõigepealt vesinik, siis heelium jne ...), jätkub mõnda aega. Lõpuks jõuab tuumas olev heelium teatud temperatuurini ja hakkab sulama süsinikuks, mis lükkab tähe kokkuvarisemise (ja surma) edasi. Täht, mida me praegu otseülekandes vaatame ja sureme, on keskmise suurusega põhijärjestuse täht, nii et tema elu lõpeb, kui ta on lõpetanud Heeliumi liitmise
Süsinik. Kui täht oleks palju suurem, siis see sulandumisprotsess toimuks seni, kuni jõuame Rauda. Raud on element, milles termotuumasüntees ei toimu iseeneslikult, see tähendab, et selle sulatamiseks on vaja rohkem energiat, kui see pärast termotuumas eraldumist eraldab. Kuid meie täht ei saa seda kunagi oma tuumas Raudseks ja seega on ta surnud pärast seda, kui ta on heitnud oma heeliumimahuti. Kui termotuumasünteesi protsess lõpuks välja lülitub (gaasist välja), hakkab täht aeglaselt jahtuma ning tähe väliskihid laienevad ja väljutatakse kosmosesse. Järgnevad tähematerjalide väljutamised loovad selle, mida me nimetame planetaarseks uduks. Kõik, mis on jäänud sellest hiilgavast tähest, mida kevadet jälgisime, on nüüd vaid tiheda süsiniku pall, mis jahtub kogu ülejäänud igaviku, võimalusel kristalliseerudes teemandiks.
Surm, mille tunnistajaks me just olime, pole tähe ainus viis surra. Kui täht on piisavalt suur, on selle surm palju vägivaldsem. Täht purskub universumi suurimasse plahvatusse, mida nimetatakse supernoovaks. Olenevalt paljudest muutujatest võib tähe jäänuk lõppeda neutronitähe või isegi musta auguga. Kuid enamiku nende jaoks, mida me kutsume keskmise suurusega põhijärjestuse tähtedeks, saab nende saatus surma, mille tunnistajaks me olime.
Meie teekond lõpeb sellega, et mõtiskleme selle üle, mida oleme täheldanud. Nähes, mida loodus õigetes oludes teha saab, ning vaadates väga külma gaasi ja tolmu pilvi, saab see midagi, mis võib kosmosesse elu sisse hingata. Meie mõistus rändab tagasi selle liigi juurde, mis oleks võinud areneda ühel neist planeetidest. Sa mõtled, kuidas nad on võinud läbida meiega sarnased faasid. Tähtede kasutamine võib-olla üleloomulike jumalustena, mis juhtisid nende uskumusi tuhandeid aastaid, asendades vastused sellega, kus nende teadmatus valitses. Need uskumused võivad muutuda religioonideks, haarates siiski seda erivaliku ja suuremeelse mõtte mõistet. Kas tähed toidavad nende soovi mõista universumit nii, nagu tähed tegid seda meie jaoks? Seejärel mõtiskleb teie meel, milline saab olema meie saatus, kui me ei ürita astuda järgmist sammu universumis. Kas me lubame oma liikide kosmosest kustutada, kui meie täht tema surma korral laieneb? See teekond, mille te just pimeda udukogu südamesse viisite, illustreerib tõeliselt seda, mida inimmõistus suudab teha, ja näitab teile, kui kaugele oleme jõudnud, ehkki oleme endiselt seotud meie päikesesüsteemiga. Õpitud asjad leidsid teised nagu te, kes lihtsalt küsisid, kuidas asjad juhtuvad, ja viivad meie füüsikaalasete teadmiste kogu kaalu paljaks. Kujutage ette, mida saaksime selle protsessi jätkamise abil saavutada; suudame oma koha staaride seas täielikult saavutada.
