Има нещо за тях, което ни заинтригува. Много религии на човечеството могат да бъдат обвързани с почитането на тези небесни свещи. За египтяните слънцето беше представително за Бог Ра, който всеки ден побеждаваше нощта и носеше светлина и топлина в земите. За гърците именно Аполон е карал пламтящата колесница по небето, осветявайки света. Дори в християнството може да се каже, че Исус е представител на слънцето, като се имат предвид поразителните характеристики, които историята му притежава с древни астрологични вярвания и фигури. Всъщност много от древните вярвания следват подобен път, като всички те свързват произхода си с поклонението на слънцето и звездите.
Човечеството процъфтяваше от звездите на нощното небе, защото разпознаваше корелация в модела, при който определени звездни образувания (известни като съзвездия) представляват конкретни времена в годишния цикъл. Едно от тях означаваше, че скоро ще стане по-топло, което доведе до засаждане на храна. Останалите съзвездия предсказват идването на a
по-студен период, така че успяхте да започнете да съхранявате храна и да събирате дърва за огрев. Придвижвайки се напред в пътя на човечеството, звездите след това се превърнаха в начин за навигация. Плаването край звездите беше начинът да се заобиколим и ние дължим ранното си изследване на нашите разбирания за съзвездията. За много от десетки хиляди години, които човешките очи са гледали нагоре към небето, едва сравнително наскоро ние напълно започнахме да разбираме какви са звездите всъщност, откъде идват и как живеят и умират. Това е, което ще обсъдим в тази статия. Елате с мен, когато се впускаме дълбоко в космоса и свидетелстваме, че физиката пише много, докато аз разкривам как една звезда се ражда, живее и в крайна сметка умира.
Започваме пътуването си, като пътуваме във Вселената в търсене на нещо специално. Търсим уникална структура, в която присъстват както правилните обстоятелства, така и съставките. Търсим това, което астрономът нарича тъмна мъглявина Сигурен съм, че сте чували за мъглявини и преди и несъмнено сте ги виждали. Много от невероятните изображения, получени от космическия телескоп Хъбъл, са от красиви газови облаци, светещи на фона на милиарди звезди. Цветовете им варират от дълбоки червени до живи блуси и дори някои зловещи зелени. Това не е типът мъглявина, който търсим. Мъглявината, от която се нуждаем, е тъмна, непрозрачна и много, много студена.
Може да се чудите на себе си: „Защо търсим нещо тъмно и студено, когато звездите са светли и горещи?“
Всъщност това е нещо, което в началото би изглеждало озадачаващо. Защо нещо първо трябва да е студено, преди да стане изключително горещо? Първо, трябва да обхванем нещо елементарно за това, което наричаме Междузвездна среда (ISM) или пространството между звездите. Пространството не е празно, както би означавало името му. Пространството съдържа както газ, така и прах. Газът, за който основно говорим, е Водородът, най-разпространеният елемент във Вселената. Тъй като Вселената не е равномерна (една и съща плътност на газ и прах над всеки кубичен метър), има джобове пространство, които съдържат повече газ и прах от останалите. Това кара гравитацията да манипулира тези джобове, за да се съберат и да образуват това, което виждаме като мъглявини. Много неща влизат в създаването на тези различни мъглявини, но тази, която търсим, Тъмната мъглявина, притежава много специални свойства. Сега, нека се потопим в една от тези тъмни мъглявини и да видим какво става.
Слизайки през външните слоеве на тази мъглявина, забелязваме, че температурата на газа и праха е много ниска. В някои мъглявини температурите са много горещи. Колкото повече частици се нахвърлят една в друга, възбудени от абсорбцията и излъчването на външно и вътрешно облъчване, означава по-високи температури. Но в тази Мрачна мъглявина се случва точно обратното. Температурите намаляват още повече в облака, който получаваме. Причината тези тъмни мъглявини имат специфични свойства, които работят за създаването на страхотна звездна разсадника, трябва да се справят с основните свойства на мъглявината и типа на региона, в който съществува облакът, който има някои трудни понятия, свързани с него, които няма да илюстрирам напълно тук. Те включват областта, където молекулните облаци образуват, които се наричат неутрални водородни региони, и свойствата на тези региони трябва да се справят със стойностите на спиновете на електроните, заедно с взаимодействията на магнитното поле, които въздействат на споменатите електрони. Чертите, които ще прикрия, са онова, което позволява тази конкретна мъглявина да е узряла за образуване на звезди.
Изключвайки сложната наука зад това, което помага за формирането на тези мъглявини, можем да започнем да се занимаваме с първия въпрос защо трябва да ставаме по-студени, за да станем по-горещи. Отговорът се свежда до гравитацията. Когато частиците се нагряват или възбуждат, те се движат по-бързо. Един облак с достатъчно енергия ще съдържа твърде много инерция сред всяка от праховите и газовите частици, за да се появят всякакви образувания. Както в, ако праховите зърна и газовите атоми се движат твърде бързо, те просто ще отскочат един от друг или просто ще се изстрелят един срещу друг, като никога няма да постигнат никакъв вид връзка. Без това взаимодействие никога не можеш да имаш звезда. Ако обаче температурите са достатъчно студени, частиците газ и прах се движат толкова бавно, че взаимната им гравитация ще им позволи да започнат да се „слепват“. Именно този процес позволява протостар да започне да се формира.
Като цяло това, което доставя енергия, за да позволи по-бързото движение на частиците в тези молекулни облаци, е радиацията. Разбира се, по всяко време във Вселената навлиза радиация от всички посоки. Както виждаме с други мъглявини, те сияят от енергия и звезди не се раждат сред тези горещи газови облаци. Те се нагряват от външно излъчване от други звезди и от собствената му вътрешна топлина. Как тази Мъглявина не позволява външната радиация да нагрява газа в облака и да го накара да се движи твърде бързо, за да поеме гравитацията? Това е където
непрозрачността на тези Тъмни мъглявини влиза в игра. Непрозрачността е мярката за това колко светлина е в състояние да се движи през обект. Колкото повече материал в обекта или по-дебел е обектът, толкова по-малко светлина е в състояние да проникне в него. Светлината с по-висока честота (Гама лъчи, рентгенови лъчи и UV) и дори видимите честоти се влияят повече от дебели джобове от газ и прах. Само светлините с по-ниска честота, включително инфрачервената, микровълновите и радиовълните, имат успех от проникването на газови облаци като тези и дори тя е малко разпръсната, така че като цяло те не съдържат почти достатъчно енергия, за да започнат да нарушават този несигурен процес на образуване на звезди. По този начин вътрешните части на тъмните газови облаци са ефективно „защитени“ от външната радиация, която разрушава други, по-малко непрозрачни мъглявини. Колкото по-малко радиация го прави в облака, толкова по-ниски са температурите на газа и праха вътре в него. По-ниските температури означават по-малко движение на частиците в облака, което е ключово за това, което ще обсъдим по-нататък.
Всъщност, докато се спускаме към ядрото на този тъмен молекулен облак, забелязваме, че все по-малко видимата светлина го прави пред очите ни и със специални филтри можем да видим, че това важи и за други честоти на светлината. В резултат на това температурата в облака е много ниска Заслужава да се отбележи, че процесът на формиране на звезди отнема много дълго време и в интерес да не ви държим да четете стотици хиляди години, сега ще напредваме напред напред. За няколко хиляди години гравитацията е изтеглила доста количество газ и прах от околния молекулен облак, което води до сгъстяване. Праховите и газовите частици, все още защитени от външно излъчване, са свободни да се събират естествено и да се „залепват“ при тези ниски температури. В крайна сметка започва да се случва нещо интересно. Взаимната гравитация на тази непрекъснато нарастваща топка от газ и прах започва ефект на снежна топка (или звезда). Колкото повече слоеве газ и прах се коагулират заедно, толкова по-гъста става вътрешността на този протостар. Тази плътност увеличава гравитационната сила близо до протостар, като по този начин дърпа повече материал в нея. С всяко прахово зърно и водороден атом, които се натрупва, налягането във вътрешността на тази топка газ се увеличава.
Ако си спомняте нещо от всеки клас по химия, който някога сте взели, може да си припомните много специална връзка между налягане и температура при работа с газ. PV = nRT, законът за идеалния газ, идва на ум. Изключвайки постоянната скаларна стойност 'n' и газовата константа R ({8.314 J / mol x K}) и решавайки за Температура (T), получаваме T = PV, което означава, че температурата на газов облак е пряко пропорционална за натиск. Ако увеличите налягането, увеличавате температурата. Ядрото на тази скоро предстояща звезда, пребиваваща в тази Мрачна мъглявина, става много гъста и налягането нараства бързо. Според това, което току-що изчислихме, това означава, че температурата също се повишава.
Ние отново разглеждаме тази мъглявина за следващата стъпка. Тази мъглявина има голямо количество прах и газ (следователно е непрозрачна), което означава, че има много материал за захранване на нашия протостар. Той продължава да дърпа газа и праха от заобикалящата го среда и започва да се нагрява. Водородните частици в сърцевината на този обект се подскачат наоколо толкова бързо, че отделят енергия в звездата. Протостарът започва да се нагрява и сега свети от радиация (обикновено инфрачервена). В този момент гравитацията все още привлича повече газ и прах, което се прибавя към натиска, упражнен дълбоко в сърцевината на този протостар. Газът от Тъмната мъглявина ще продължи да се срива в себе си, докато не се случи нещо важно. Когато близо до звездата не остане почти нищо, за да падне върху повърхността й, тя започва да губи енергия (поради излъчване като светлина). Когато това се случи, тази външна сила намалява и гравитацията започва да свива звездата по-бързо. Това значително увеличава налягането в ядрото на този протостар. С нарастването на налягането температурата в сърцевината достига стойност, която е от решаващо значение за процеса, на който сме свидетели. Ядрото на протостар е станало толкова плътно и горещо, че достига приблизително 10 милиона келвина. За да направим това в перспектива, тази температура е приблизително 1700x по-гореща от повърхността на нашето слънце (при около 5800K). Защо 10 милиона Келвин са толкова важни? Тъй като при тази температура може да се случи термоядреното сливане на Водород и щом започне сливането, тази новородена звезда се „включва“ и избухва, като изпраща огромни количества енергия във всички посоки.
В ядрото е толкова горещо, че електроните, които ципват около протоновите ядра на водорода, се отстраняват (йонизират) и всичко, което имате, са свободно движещи се протони. Ако температурата не е достатъчно гореща, тези безплатни летящи протони (които имат положителни заряди), просто ще погледнат един към друг. Въпреки това, при 10 милиона келвина, протоните се движат толкова бързо, че могат да се доближат достатъчно, за да могат силните ядрени сили да поемат властта, а когато това стане, водородните протони започват да се блъскат един в друг с достатъчно сила, за да се слеят, създавайки Хелиеви атоми и отделяне на много енергия под формата на радиация. Това е верижна реакция, която може да се обобщи като 4 протона дават 1 хелиев атом + енергия. Това сливане е това, което запалва звездата и я кара да "гори". Енергията, освободена от тази реакция, отива в подпомагане на други водородни протони да се слеят и също така доставя енергия, за да не се срива звездата върху себе си. Енергията, която се изпомпва от тази звезда във всички посоки, идва от ядрото, а следващите слоеве на тази млада звезда всички предават тази топлина по свой начин (използвайки методи на радиация и конвекция в зависимост от вида на звездата се е родила) ,
Това, на което сме свидетели сега, от началото на нашето пътуване, когато се гмурнем в тази студена Мрачна мъглявина, е раждането на млада, гореща звезда. Мъглявината защитаваше тази звезда от лъжлива радиация, която би нарушила този процес, както и осигуряването на фригидната среда, необходима на гравитацията, за да се овладее и да работи магията си. Докато станахме свидетели на протостар формата, може би сме виждали и нещо невероятно. Ако съдържанието на тази мъглявина е правилно, като например наличието на голямо количество тежки метали и силикати (останали от свръхновите на предишни, по-масивни звезди), това, което бихме могли да започнем, би било планетарно образуване, което се извършва в акреционния диск на материал около протостар.
Оставащият газ и прах в близост до новата ни звезда ще започне да образува плътни джобове по същия механизъм на
гравитация, в крайна сметка ще бъде в състояние да аккретизира в протопланети, които ще бъдат съставени от газ или силикати и метал (или комбинация от двете). Както беше казано, планетарното формиране все още е някаква загадка за нас, тъй като изглежда има неща, които все още не можем да обясним. Но този модел на формиране на звездна система изглежда работи добре.
Животът на звездата не е толкова вълнуващ, колкото нейното раждане или смърт. Ще продължим напред напред с часовника и ще наблюдаваме как тази звездна система се развива. През няколко милиарда години останките на Тъмната мъглявина са разрушени и са образували и други звезди като тази, на която сме били свидетели, и тя вече не съществува. Планетите, които видяхме да се формират с нарастването на протостар, започват танца си за милиарди години около родителската си звезда. Може би в един от тези светове, свят, който седи точно на точното разстояние от звездата, съществува течна вода. В тази вода се съдържат аминокиселините, които са необходими за протеините (всички съставени от елементите, останали от предишни звездни изригвания). Тези протеини са в състояние да се свържат заедно, за да започнат да образуват РНК вериги, а след това ДНК вериги. Може би в един момент, няколко милиарда години след като звездата се е родила, виждаме космически вид, който се изстрелва в Космоса, или може би те никога не постигат това по различни причини и остават обвързани с планетата. Разбира се, това е само спекулация за нашето забавление. Въпреки това, сега стигаме до края на нашето пътуване, започнало преди милиарди години. Звездата започва да умира.
Водородът в сърцевината му се слива в хелий, който с времето изчерпва водорода; звездата свършва с газ. След много години процесът на синтез на водород започва да спира и звездата отделя все по-малко енергия. Тази липса на външно налягане от процеса на сливане разстройва онова, което наричаме хидростатично равновесие, и позволява гравитацията (която винаги се опитва да смаже звездата) да спечели. Звездата започва да се свива бързо под собствената си тежест. Но, както обсъждахме по-рано, с нарастването на налягането, така се повишава и температурата. Всичко от този хелий, който остана
от милиардите години водородният синтез започва да се нагрява в ядрото. Хелият се предпазва при много по-гореща температура, отколкото водородът, което означава, че богатото на хелия ядро може да бъде натиснато навътре чрез гравитация, без да се разпада (все още). Тъй като синтезът не се осъществява в ядрото на хелий, има малко или никаква външна сила (излъчена чрез синтез), за да се предотврати разпадането на ядрото. Този въпрос става много по-плътен, което сега ние обозначаваме като изродено и изтласква огромни количества топлина (гравитационната енергия се превръща в топлинна енергия). Това води до запалване на останалия водород, който е в следващите слоеве над ядрото на хелия, което кара звездата да се разширява значително, тъй като тази водородна обвивка изгаря извън контрол. Това прави звездата да „отскочи“ и тя бързо се разширява; по-енергичният синтез от водородните обвивки извън ядрото разширява значително диаметъра на звездата. Нашата звезда вече е червен гигант. Някои, ако не всички вътрешни планети, на които бяхме свидетели, ще бъдат изгорени и погълнати от звездата, която за първи път им даде живот. Ако имаше случай на някоя от тези планети, които не успяха да напуснат родния си свят, те със сигурност ще бъдат изтрити от Вселената, за които никога няма да се знае.
Този процес на звездата, изчерпана с гориво (първо водород, след това хелий и др.), Ще продължи известно време. В крайна сметка хелият в ядрото ще достигне определена температура и ще започне да се влива в въглерод, което ще отложи срива (и смъртта) на звездата. Звездата, която в момента наблюдаваме на живо и умира, е средно голяма звезда на главната последователност, така че животът й приключва, след като приключи с сливането на Хелий
Carbon. Ако звездата беше много по-голяма, този процес на сливане щеше да продължи, докато стигнем до Желязо. Желязото е елементът, в който синтезът не се осъществява спонтанно, което означава, че за него се изисква повече енергия, отколкото да се отделя след сливането. Нашата звезда обаче никога няма да стигне до Желязо в сърцевината си и по този начин е умряла, след като изтощи резервоара си Хелий. Когато процесът на сливане най-накрая се „изключва” (без газ), звездата бавно започва да се охлажда и външните слоеве на звездата се разширяват и се изхвърлят в пространството. Следващите изхвърляния на звезден материал продължават да създават това, което наричаме планетна мъглявина, и всичко, което е останало от някога блестящата звезда, която наблюдавахме пролетта на съществуване, сега е само кълбо от плътен въглерод, което ще продължи да се охлажда до края на вечността, вероятно кристализиране в диамант.
Смъртта, на която бяхме свидетели сега, не е единственият начин да умира звезда. Ако една звезда е достатъчно голяма, смъртта й е много по-жестока. Звездата ще избухне в най-голямата експлозия във Вселената, наречена свръхнова. В зависимост от много променливи, остатъкът от звездата може да се превърне в неутронна звезда или дори черна дупка. Но за повечето от това, което наричаме средно големи звезди на главната последователност, смъртта, на която станахме свидетели, ще бъде тяхната съдба.
Пътуването ни завършва с размишляването върху това, което сме наблюдавали. Виждайки само какво може да направи природата при правилните обстоятелства и наблюдавайки облак от много студен газ и прах се превръщат в нещо, което има потенциал да вдъхне живот в Космоса. Нашите умове се скитат обратно към онзи вид, който би могъл да се развие на една от тези планети. Замисляте се как може да са преминали през фази, подобни на нас. Евентуално използване на звездите като свръхестествени божества, които ръководят своите вярвания в продължение на хиляди години, замествайки отговорите за това къде е царувало тяхното невежество. Тези вярвания биха могли да се превърнат в религии, все още схващащи тази представа за специален подбор и великодушна мисъл. Дали звездите подхранват желанието им да разберат Вселената, както звездите направиха за нас? Тогава умът ви размишлява каква ще бъде съдбата ни, ако не се опитаме да направим следващата стъпка във Вселената. Трябва ли да позволим на нашия вид да бъде изтрит от Космоса, когато звездата ни се разширява в смъртта си? Това пътуване, което току-що направихте в сърцето на Тъмната мъглявина, наистина илюстрира какво може да направи човешкият ум и ви показва колко далеч сме стигнали, въпреки че все още сме обвързани с нашата Слънчева система. Нещата, които сте научили, бяха открити от други като вас просто да попитате как се случват нещата и след това да доведе до пълната тежест на нашите знания по физика. Представете си какво можем да постигнем, ако продължим този процес; да можем напълно да постигнем нашето място сред звездите.
