Koniec hviezd - extrémne javy

Materiál od Radu Andreia - študenta 11. ročníka Národnej vysokej školy „Nicolae Bălcescu“ v Brăile a držiteľa zlatej medaily na Medzinárodnej olympiáde v astronómii 2016

Hviezdy ľudí vždy fascinovali. Od staroveku dôkladné pozorovanie nebeskej klenby viedlo k založeniu vedy, ktorú dnes poznáme pod menom ASTRONÓMIA. Väčšina hviezd sa javila ako fixovaná na sfére, ktorá sa krútila okolo Zeme - toto je jeden z prvých modelov, ktoré sa pokúsili opísať vesmír.

Potom, keď geocentrická teória stratila dôveryhodnosť, ľudia si uvedomili, že naše miesto vo vesmíre nie je nijako ústredné ani zvláštne. Slnko, zdroj svetla a tepla, bez ktorého by nebol možný život, je len jednou z nespočetných hviezd rozptýlených po vesmíre.

Tieto modely majú spoločný predpoklad, ktorý trvá dlho, ale ktorý je úplne nesprávny: hviezdy vždy žiarili a budú pokračovať donekonečna. Inými slovami, Vesmír je nekonečný v čase (a prečo nie, aj v priestore). Roky ukázali, že to tak nie je. Dnes vieme, že energia hviezd je daná hlavne fúziou vodíka do hélia.

Jadrové reakcie sú pri výrobe energie obzvlášť účinné: jediný gram vodíka by mohol napájať tisíce žiaroviek viac ako rok! Pretože hviezda má iba konečné (aj keď obrovské!) Množstvo jadrového „paliva“, je zrejmé, že jej životnosť sa niekedy skončí. Ako uvidíme, tento proces je absolútne nevyhnutný pre vzhľad života, ako ho poznáme.

Fázy slnečnej sústavy: Mrak plynu sa sťahuje pod svojou vlastnou váhou. Z toho sa formuje Slnko a planéty. O miliardy rokov neskôr sa hviezda stane obrom a dočasne pohltí niekoľko planét, potom sa zmení na bieleho trpaslíka.

Hviezda je fascinujúci objekt: jej veľkosť alebo teplota a tlak v jej strede sú ťažko predstaviteľné predstavy ani pre tých, ktorí s nimi pracujú. Skutočné extrémne javy sa však vyskytujú, keď prestane pravidelná jadrová aktivita a hviezda zomrie. Pozrime sa teda, čo sa v tomto prípade stane a čo po sebe zanechá hviezda.

Biely trpaslík

Najdôležitejšou charakteristikou hviezdy je jej hmotnosť, množstvo hmoty, z ktorej je vyrobená. Diktuje teplotu, veľkosť, jas, štruktúru a nakoniec vývoj a osud hviezdy. Začnime diskusiou o hviezdach s relatívne malou hmotnosťou (menej ako 10 hmotností Slnka).

Ako som už povedal, reakcia jadrovej fúzie, ktorá dáva energiu hviezd, produkuje hélium. Je hustší ako vodík a hromadí sa v strede. V určitom okamihu, keď sa héliové jadro stane príliš veľkým, začne sa sťahovať pod svojou vlastnou váhou. To sa zahreje a zároveň „vytlačí“ horné vrstvy hviezdy von.

Kontraproduktívnym spôsobom prechádza vonkajšia strana hviezdy dokonca opačnými transformáciami ako tie v jadre: rozširuje sa a ochladzuje a získava červenú farbu. Preto hviezda dostane v tejto fáze svojho vývoja meno červeného obra. Je zaujímavé si uvedomiť, že asi prekvapivo sú hviezdy, ktoré majú „studené“ farby (napríklad modrá), najteplejšie v skutočnosti a tie, ktoré sa objavujú v „teplých“ farbách (žltá, oranžová, červená) majú v skutočnosti najnižšie teploty.

Od tohto bodu tlačia hviezdy menšie ako Slnko svoje vonkajšie vrstvy tak ďaleko, že ich už nemožno považovať za súčasť hviezdy; stávajú sa z nich oblaky kozmického plynu. Zostáva len horúce héliové jadro, ktoré naďalej vyžaruje energiu von a nazýva sa biely trpaslík.

Časť tejto energie je absorbovaná čerstvým plynom vrhnutým do vesmíru, ktorý naopak ohrieva a osvetľuje. Takto sa rodia planetárne hmloviny (ktoré však nemajú nič spoločné s planétami: názov bol omylom daný, keď boli objekty objavené, a tak aj zostali). Namiesto toho hviezdy porovnateľné so Slnkom alebo väčšími začínajú novú reakciu fúzie hélia na ťažšie prvky. Veľkosť a teplota hviezdy sa teda vráti do normálu, kým sa hélium neskončí, potom sa príbeh opakuje.

Tentokrát plynové mračná, ktoré tvoria hmlovinu, budú obsahovať aj tieto ťažšie prvky, ktoré sa v prípade diskutovanom vyššie nenašli. Potom, čo bielemu trpaslíkovi dôjde energia, ochladí sa a stane sa z neho hmota inertného plynu.

Supernovy a neutrónové hviezdy

Tlak a teplota v strede hviezdy stúpajú s jej hmotou. Pokiaľ teda máme do činenia s objektmi rádovo desiatok alebo stoviek slnečných hmôt, extrémne podmienky v strede môžu „prinútiť“ hélium a ďalšie ťažšie prvky podstúpiť fúzne reakcie ešte pred koncom vodíka. Hviezda teda bude vyzerať ako cibuľa: bude zložená z niekoľkých vrstiev, v ktorých prebiehajú rôzne reakcie.

Počnúc zvonku sa vodík mení na hélium, potom z hélia na uhlík atď., Na železné jadro. Z energetických dôvodov daných jadrovou fyzikou je železo najťažším prvkom, ktorý je možné dosiahnuť týmito reakciami (ako viete, veľmi ťažké prvky, ako je urán, prechádzajú opačným procesom: štiepenie - mohutné jadrá sa „rozpadajú“ na menšie).

V určitom okamihu trpí železo rovnakým problémom ako hélium v malých hviezdach: jeho vlastná hmotnosť je príliš silná a rovnováha hviezdy je zničená. Presné mechanizmy, pomocou ktorých evolúcia pokračuje, sú stále predmetom výskumu, ale všeobecne sa atómové jadrá v strede hviezdy rozpadajú na protóny a neutróny, protóny sa kombinujú s elektrónmi a vytvárajú viac neutrónov a uvoľňuje sa nepredstaviteľné množstvo energie.

Horné vrstvy hviezdy sú tlačené násilne smerom von, pri výbuchu 10 29 (sto miliárd miliárd miliárd!) Krát energickejších ako najsilnejšie atómové bomby, aké boli kedy vyrobené. V nich sa formujú prvky ťažšie ako železo, predtým neexistujúce.

Menej ako 1% uvoľnenej energie sa prevedie na svetelnú a kinetickú energiu vyhodených plynov. Zvyšných 99% sa stratí vo forme neutrín, častíc, ktoré vôbec neinteragujú s hmotou, a je preto obzvlášť ťažké ich identifikovať. Je zaujímavé, že dorazia pred svetlom zo supernovy a môžu nás tak vopred „varovať“ pred výbuchom a môžu naznačiť jeho polohu.

Po výbuchu hviezda naďalej jasne žiari niekoľko dní, dokonca týždňov, a môže zostať viditeľná voľným okom (aj keď menej intenzívne) niekoľko mesiacov po sebe. Plyny evakuované výbuchom sú horúce a jasné, čo vedie k vzniku veľkolepých hmlovín v neustálej expanzii. Krabia hmlovina je stopou 1054 supernovy, ktorú čínski astronómovia zaznamenali ako „druhé slnko“.

Neutrónová hviezda má hustotu atómového jadra, je mimoriadne horúca a rotuje veľmi rýchlo.

Hviezdne jadro, ktoré zaostáva, je zvyčajne príliš ťažké na to, aby sa z neho stal biely trpaslík (väčší ako 1,4 slnečnej hmoty), a mení sa na neuveriteľne hustú neutrónovú hviezdu. Pre porovnanie, jeho hustota je 200 biliónovkrát vyššia ako hustota olova.

Extrémne podmienky poskytujú zaujímavé vlastnosti stély: neutróny tvoria tekutinu bez trenia (supertekutú), ktorá je tiež supravodivá. Takéto objekty majú silné magnetické polia a môžu sa otáčať stokrát alebo dokonca tisíckrát za sekundu. Preto emitujú veľmi intenzívne elektromagnetické žiarenie, ktoré sa k nám dostáva vo forme impulzov, a hviezdy sú známe ako pulzary.

Čierne diery

Niekedy je jadro, ktoré po sebe zanechala explózia, príliš ťažké na to, aby mohlo byť neutrónovou hviezdou (táto horná hranica je okolo dvoch slnečných hmôt), a tak sa vytvorí čierna diera: objekt tak masívny a hustý, že nič, ani svetlo nemôže opustiť jeho povrch (odtiaľ pochádza aj jeho názov).

Kriví okolo seba časopriestor a vedie k prekvapujúcim relativistickým efektom:

mení dráhy svetelných lúčov, ktoré prechádzajú príliš blízko k nej a správajú sa ako šošovky (jav sa nazýva „gravitačné šošovky“);
čas plynie pomalšie v jeho okolí (efekt predpovedaný zovšeobecnenou teóriou relativity)
posúva sa na červené svetlo prichádzajúce z jeho blízkosti.

Masívny objekt - napríklad neutrónová hviezda alebo čierna diera - čerpá plyn zo susednej hviezdy a vytvára akrečný disk.

Mohli by sme sa pýtať: ak tejto čiernej diere nemôže nič uniknúť, ako to zistíme? Po prvé, prostredníctvom gravitačných vplyvov na životné prostredie. Ak je v blízkosti čiernej diery hviezda, plyn v jej zložení je priťahovaný k čiernej diere a prebieha akrečný proces.

Tým sa uvoľní obrovské množstvo energie; účinnosť tohto procesu je podstatne vyššia ako v prípade jadrovej fúzie, a preto je jasnosť nárastu čiernej diery oveľa vyššia ako jasnosť hviezdy. V skutočnosti sú považované za najjasnejšie objekty vo vesmíre - kvazary.

Po druhé, prostredníctvom kvantových efektov majú čierne diery svoje vlastné žiarenie - Hawkingovo žiarenie - prostredníctvom ktorého strácajú hmotu a odparujú sa. S jeho pomocou môžeme odhadnúť teplotu takéhoto objektu, ktorá je rádovo niekoľko Kelvinov (pod -270 ° Celzia, v porovnaní s hviezdami, ktoré majú povrchové teploty tisíce stupňov).

Vo veľmi zriedkavých prípadoch, keď sa dve čierne diery zrazia, vyžarujú gravitačné vlny (napríklad také, o ktorých) vo vede a technike sa to bežne hovorí ). Čierne diery sú neuveriteľné objekty, ktoré okrem tu vystavených ponúkajú aj ďalšie prekvapenia. Pozývam vás, aby ste ich objavili sami!

Namiesto záveru

Videl som, že aj hviezdy, tieto fascinujúce objekty, zomierajú. Je to životne dôležitý proces, pretože prvky ťažšie ako hélium produkujú iba oni a nemôžu sa inak dostať do vesmíru, aby vytvorili planéty, organické zlúčeniny a život. Zem je tvorená práve takými zvyškami dávno zmiznutej hviezdy. V skutočnosti sme všetci hviezdny prach!