Heistä on jotain, joka kiehtoo meitä kaikkia. Monet ihmiskunnan uskonnot voidaan sitoa näiden taivaan kynttilöiden palvontaan. Egyptiläisten kannalta aurinko oli Jumalan Ra edustaja, joka joka päivä hävisi yön ja toi valoa ja lämpöä maihin. Kreikkalaisille juuri Apollo ajoi palavan vaununsa taivaan yli valaiseen maailmaa. Jopa kristinuskossa Jeesuksen voidaan sanoa edustavan aurinkoa ottaen huomioon sen tarinan silmiinpistävät piirteet muinaisten astrologisten uskomusten ja hahmojen kanssa. Itse asiassa monet muinaiset uskomukset seuraavat samanlaista polkua, jotka kaikki sitovat alkuperästään auringon ja tähtijen palvontaan.
Ihmiskunta menestyi tähdet yötaivaalla, koska ne havaitsivat korrelaation kuviossa, jossa tietyt tähdemuodostumat (tunnetaan nimellä tähtikuvioita) edustivat tiettyjä aikoja vuodessa. Yksi niistä tarkoitti, että sen lämmeni pian, mikä johti ruoan istuttamiseen. Muut tähtikuviot ennustivat a: n tulemista
kylmempi aika, joten pystyit aloittamaan ruoan varastoinnin ja polttopuun keräämisen. Ihmiskunnan matkalla eteenpäin, tähdistä tuli sitten tapa navigoida. Tähtien purjehdus oli tapa kiertää, ja joudumme varhaiseen etsintäämme ymmärtämään tähtikuvioita. Monien kymmenien tuhansien vuosien ajan, jolloin ihmisen silmät ovat katselleet ylöspäin taivaita kohti, vasta suhteellisen hiljattain avasimme täysin ymmärtää, mitkä tähdet tosiasiallisesti olivat, mistä ne ovat tulleet ja kuinka he eläivät ja kuolivat. Tätä me keskustelemme tässä artikkelissa. Tule mukaan, kun uskallamme syvälle kosmokseen ja todistajafysiikka kirjoittaa suureksi, kun kerron kuinka tähti syntyy, elää ja kuolee.
Aloitamme matkamme matkustamalla maailmankaikkeuteen etsimään jotain erityistä. Etsimme ainutlaatuista rakennetta, jossa on sekä oikeat olosuhteet että ainesosat. Etsimme sitä, mitä tähtitieteilijä kutsuu tummaksi sumuksi. Olen varma, että olet kuullut sumusta aikaisemmin, ja et ole epäilemättä nähnyt niitä. Monet Hubble-avaruusteleskoopin saamista hämmästyttävistä kuvista ovat kauniita kaasupilviä, jotka hehkuvat miljardien tähdet taustalla. Niiden värit vaihtelevat syvistä punaisista, vilkkaisiin bluesiin ja jopa joihinkin hirvittäviin vihreisiin. Tämä ei ole sitä tyyppiä, jota etsimme. Tarvitsemmesi sumu on tumma, läpinäkymätön ja erittäin, erittäin kylmä.
Saatat ihmetellä itsellesi: "Miksi etsimme jotain pimeää ja kylmää, kun tähdet ovat kirkkaita ja kuumia?"
Tämä on tosiaankin aluksi hämmentävää. Miksi jonkin täytyy olla kylmä ensin, ennen kuin se voi muuttua erittäin kuumaksi? Ensinnäkin meidän on katettava jotain alkeellista siitä, mitä kutsumme Interstellar Medium (ISM) tai tähtiväliin. Tila ei ole tyhjä, kuten nimensä tarkoittaisi. Avaruus sisältää sekä kaasua että pölyä. Kaasu, johon lähinnä viitataan, on vety, maailmankaikkeuden runsain alkuaine. Koska maailmankaikkeus ei ole tasainen (sama kaasun ja pölyn tiheys jokaisen kuutiometrin kohdalla), on tilan taskuja, jotka sisältävät enemmän kaasua ja pölyä kuin muut. Tämä saa painovoiman manipuloimaan näitä taskuja tulemaan yhteen ja muodostamaan mitä näemme sumuina. Näiden erilaisten sumujen tekemiseen menee monia asioita, mutta sillä, jota etsimme, Pimeä Neula, on erittäin erityisiä ominaisuuksia. Sukellaan nyt mihin tahansa näistä pimeistä sumuista ja katsotaan mitä tapahtuu.
Noustessamme tämän sumun ulkokerrosten läpi huomaat, että kaasun ja pölyn lämpötila on erittäin matala. Joissakin sumuissa lämpötilat ovat erittäin kuumia. Mitä enemmän hiukkasia törmää toisiinsa, ulko- ja sisäsäteilyn absorptiosta ja säteilystä kiihtyen, se tarkoittaa korkeampia lämpötiloja. Mutta tässä pimeässä niemessä tapahtuu päinvastoin. Lämpötilat alenevat edelleen pilveemme, jota saamme. Siksi, että näillä tummilla sumuilla on erityisiä ominaisuuksia, joiden avulla luodaan suuri tähtitaivaanhoito, on käsiteltävä sumun ja sen aluetyypin perusominaisuuksia, jossa pilvi esiintyy. Tähän liittyy joitain vaikeita käsitteitä, joita en aio kuvailla kokonaan. tässä. Ne sisältävät alueen, jossa muodostuvat molekyylipilvet, joita kutsutaan neutraaliksi vetyalueiksi, ja näiden alueiden ominaisuuksien on käsiteltävä elektronien spin-arvoja sekä magneettikentän vuorovaikutuksia, jotka vaikuttavat mainittuihin elektroneihin. Tarkoitan piirteitä, jotka sallivat tämän tietyn sumun olla kypsä tähtiä muodostettaessa.
Lukuun ottamatta monimutkaista tiedettä, joka auttaa näiden sumujen muodostamisessa, voimme alkaa käsitellä ensimmäistä kysymystä siitä, miksi meidän on saatava kylmempää kuumenemaan. Vastaus laskee painovoiman. Kun hiukkasia kuumennetaan tai kiihdytetään, ne liikkuvat nopeammin. Pilve, jolla on riittävästi energiaa, sisältää aivan liian paljon vauhtia jokaisessa pöly- ja kaasuhiukkasessa minkä tahansa tyyppisten muodostumien tapahtumiseksi. Kuten vuonna, jos pölyjyvät ja kaasun atomit liikkuvat liian nopeasti, ne vain poistuvat toisistaan tai ammuvat vain toistensa ohi, eivät koskaan saavuta minkään tyyppisiä sidoksia. Ilman tätä vuorovaikutusta et voi koskaan olla tähti. Kuitenkin, jos lämpötilat ovat riittävän kylmiä, kaasu- ja pölyhiukkaset liikkuvat niin hitaasti, että keskinäinen painovoimansa ansiosta ne voivat alkaa tarttua toisiinsa. Juuri tämä prosessi sallii protostarin alkaa muodostua.
Yleensä se, mikä toimittaa energiaa hiukkasten nopeamman liikkeen mahdollistamiseksi näissä molekyylipilvissä, on säteily. Tietenkin, maailmankaikkeudessa tulee säteilyä, joka tulee kaikista suunnista. Kuten näemme muiden sumujen kanssa, ne hehkuvat energialla ja tähdet eivät ole syntyneet näiden kuumien kaasupilvien keskellä. Niitä kuumennetaan muiden tähteiden ulkoisella säteilyllä ja sen omasta sisäisestä lämmöstä. Kuinka tämä Dark Nebula estää ulkoista säteilyä kuumentamasta kaasua pilvessä ja aiheuttaen sen liikkumisen liian nopeasti painovoiman kestämiseksi? Täällä
näiden tummien sumujen läpinäkymätön luonne tulee peliin. Läpinäkyvyys on mitta, kuinka paljon valo pystyy liikkumaan objektin läpi. Mitä enemmän materiaalia esineessä tai mitä paksumpi esine on, sitä vähemmän valo pystyy tunkeutumaan siihen. Korkeamman taajuuden valoon (gammasäteet, röntgenkuvat ja UV) ja jopa näkyviin taajuuksiin vaikuttaa enemmän paksut kaasu- ja pölytaskut. Vain alemman taajuuden valotyypeillä, mukaan lukien infrapuna-, mikroaalto- ja radioaallot, on menestys tunkeutua sellaisten kaasupilvien läpi, ja jopa se on jonkin verran hajallaan, joten yleensä ne eivät sisällä melkein tarpeeksi energiaa tämän epävarman häiriön aloittamiseksi. tähtien muodostumisprosessi. Siten tummien kaasupilvien sisäosat on "suojattu" tehokkaasti ulkopuolisesta säteilystä, joka häiritsee muita, vähemmän läpinäkymättömiä sumua. Mitä vähemmän säteilyä pilvistä tekee, sitä alhaisemmat kaasun ja pölyn lämpötilat ovat siinä. Kylmempi lämpötila tarkoittaa vähemmän hiukkasten liikettä pilvessä, mikä on avainta sille, mitä keskustelemme seuraavaksi.
Todellakin, kun laskeudumme kohti tämän tumman molekyylipilven ydintä, huomaamme, että yhä vähemmän näkyvä valo tekee siitä silmämme ja erityisillä suodattimilla voimme nähdä, että tämä pätee muihin valon taajuuksiin. Seurauksena pilven lämpötila on erittäin matala. On syytä huomata, että tähtiä muodostuva prosessi vie hyvin kauan, ja jotta emme pitäisi sinua lukemassa satoja tuhansia vuosia, siirrymme nyt eteenpäin. Muutamassa tuhannessa vuodessa painovoima on vetänyt ympäröivään molekyylipilveen kohtuullisen määrän kaasua ja pölyä aiheuttaen sen kokoontuvan. Pölyn ja kaasun hiukkaset, jotka ovat edelleen suojattu ulkopuoliselta säteilyltä, voivat vapaasti tulla luonnollisesti yhteen ja “tarttua” näihin alhaisiin lämpötiloihin. Lopulta jotain mielenkiintoista alkaa tapahtua. Tämän jatkuvasti kasvavan kaasu- ja pölypallon keskinäinen paino alkaa lumipallo (tai tähtipallo) -tehosteen. Mitä enemmän kaasu- ja pölykerroksia koaguloituvat yhdessä, sitä tiheämmäksi tämän protostarin sisustus tulee. Tämä tiheys lisää gravitaatiovoimaa lähellä protostaria, vetäen siten enemmän materiaalia siihen. Jokaisella kerääntyneellä pölyjyvällä ja vetyatomilla paine tämän kaasupallon sisäpuolella kasvaa.
Jos muistat jotain mistä tahansa kemialuokasta, jonka olet koskaan ottanut, saatat muistaa paineen ja lämpötilan erityisen suhteen kaasua käsitellessäsi. PV = nRT, ihanteellinen kaasulaki, tulee mieleen. Jollei vakiona skalaariarvo 'n' ja kaasuvakio R ({8,314 J / mol x K}) ja ratkaistu lämpötila (T) saadaan T = PV, mikä tarkoittaa, että kaasupilven lämpötila on suoraan verrannollinen paineeseen. Jos nostat painetta, nostat lämpötilaa. Tämän Pimeässä niemessä pian astuvan tähden ydin on tulossa hyvin tiheäksi, ja paine kiihtyy. Juuri laskemiemme mukaan se tarkoittaa, että myös lämpötila nousee.
Harkitsemme jälleen tätä sumua seuraavaan vaiheeseen. Tässä nebulassa on suuri määrä pölyä ja kaasua (joten se on läpinäkymätön), mikä tarkoittaa, että siinä on paljon materiaalia protostariemme syöttämiseen. Se jatkaa kaasun ja pölyn vetämistä ympäröivästä ympäristöstä ja alkaa kuumentua. Tämän esineen ytimessä olevat vetyhiukkaset palautuvat niin nopeasti, että ne vapauttavat energiaa tähtiin. Protostar alkaa kuumentua ja hehtaa nyt säteilyllä (yleensä infrapuna). Tässä vaiheessa painovoima vetää edelleen enemmän kaasua ja pölyä, joka lisää paineita, jotka kohdistuvat syvälle tämän protostarin ytimeen. Pimeän udoksen kaasu jatkaa itsestään romahtamista, kunnes tapahtuu jotain tärkeää. Kun tähden lähellä ei ole juurikaan jäljellä putoaa sen pinnalle, se alkaa menettää energiaa (johtuen siitä, että se säteilee valona). Kun tämä tapahtuu, tämä ulospäin suuntautuva voima vähenee ja painovoima alkaa supistua tähtiin nopeammin. Tämä lisää huomattavasti painetta tämän protostarin ytimessä. Paineen kasvaessa ytimen lämpötila saavuttaa arvon, joka on kriittisen tärkeä prosessille, jota todistamme. Protostarin ytimestä on tullut niin tiheä ja kuuma, että se saavuttaa noin 10 miljoonaa kelviniä. Tätä perspektiiviä ajatellen tämä lämpötila on noin 1700x kuumempi kuin aurinkoomme pinta (noin 5800K). Miksi 10 miljoonaa kelviniä on niin tärkeä? Koska tuossa lämpötilassa voi tapahtua vedyn lämpöydinfuusio ja fuusion alkaessa tämä vastasyntynyt tähti “kytkeytyy päälle” ja räjähtää elämään lähettämällä valtavia määriä energiaa kaikkiin suuntiin.
Ytimessä on niin kuuma, että elektronit, jotka vetoavat vedyn protonituumien ympärille, poistetaan (ionisoitu), ja kaikki mitä sinulla on, ovat vapaasti liikkuvia protoneja. Jos lämpötila ei ole tarpeeksi kuuma, nämä vapaasti lentävät protonit (joilla on positiiviset varaukset) vilkkuvat vain toisistaan. 10 miljoonan kelvinin paineella protonit kuitenkin liikkuvat niin nopeasti, että ne pääsevät riittävän lähelle voimakkaan ydinvoiman valtaamista, ja kun se tapahtuu, vetyprotonit alkavat räjähtää toisiinsa tarpeeksi voimaa sulautuakseen yhteen, jolloin syntyy Heliumiatomit ja vapauttavat paljon energiaa säteilyn muodossa. Se on ketjureaktio, joka voidaan tiivistää siten, että 4 protonia tuottaa 1 heliumiatomia + energiaa. Tämä fuusio on se, mikä syttyy tähden ja saa sen “palamaan”. Tämän reaktion vapauttama energia menee auttamaan muita vetyprotoneita sulautumaan ja toimittaa myös energiaa pitääkseen tähti romahtamasta itsestään. Tästä tähdestä kaikkiin suuntiin pumppaava energia tulee kaikki ytimestä, ja tämän nuoren tähden myöhemmät kerrokset lähettävät kaikki lämpöä omalla tavallaan (käyttäen säteily- ja konvektiomenetelmiä sen mukaan, minkä tyyppinen tähti on syntynyt) .
Se, mitä olemme nyt nähneet, matkamme alusta alkaen, kun kärpäsimme alas kylmään Dark Nebulaan, on nuoren kuuman tähden syntymä. Sumu suojasi tätä tähteä vääristyneeltä säteilyltä, joka olisi häirinnyt tätä prosessia, samoin kuin aikaansaaden jäykän ympäristön, jota tarvittiin painovoiman hallitsemiseksi ja taiansa toimimiseksi. Kun olimme todistamassa protostarimuotoa, olemme saattaneet nähdä myös jotain uskomatonta. Jos tämän sumun sisältö on oikein, kuten sillä, että sillä on suuri määrä raskasmetalleja ja silikaatteja (jäljellä edellisten massiivisempien tähtien supernoovista), mitä voimme alkaa nähdä, olisi planeetan muodostuminen, joka tapahtuu materiaalia protostarin ympärillä.
Uuden tähden läheisyydessä jäljellä oleva kaasu ja pöly alkaisivat muodostaa tiheitä taskuja samalla mekanismilla
painovoima, joka lopulta kykenee erittymään protoplaneeteiksi, jotka koostuvat kaasusta tai silikaateista ja metallista (tai näiden kahden yhdistelmästä). Tästä huolimatta planeettojen muodostuminen on meille edelleen hieman mysteeri, koska näyttää olevan asioita, joita emme voi vielä selittää töissä. Mutta tämä tähtijärjestelmän muodostumismalli näyttää toimivan hyvin.
Tähden elämä ei ole läheskään yhtä jännittävää kuin sen syntymä tai kuolema. Jatkamme eteenpäin eteenpäin eteenpäin ja katsomme tämän tähtijärjestelmän kehittyvän. Muutaman miljardin vuoden aikana Pimeän Nebulan jäänteet on hajotettu toisistaan ja ne ovat myös muodostaneet muita tähtiä, kuten sen, jonka todistamme, ja sitä ei enää ole. Planeetat, joiden havaitsimme muodostuvan protostarin kasvaessa, aloittavat miljardin vuoden tanssin vanhemmansa tähden ympärillä. Ehkä yhdellä näistä maailmoista, maailmassa, joka sijaitsee juuri oikealla etäisyydellä tähtiä kohden, on nestemäistä vettä. Tuossa vedessä on aminohappoja, joita tarvitaan proteiineille (kaikki koostuvat alkuaineista, jotka olivat jääneet aikaisempien tähtien purkauksien yli). Nämä proteiinit kykenevät linkittämään toisiinsa muodostamaan RNA-ketjuja, sitten DNA-ketjuja. Ehkä jossain vaiheessa muutama miljardi vuotta tähden syntymisen jälkeen näemme avaruudessa kaukaisten lajien laskeutuvan itsensä kosmokseen, tai ehkä he eivät koskaan saavuta tätä eri syistä ja pysyvät planeetan sidottuna. Tietenkin tämä on vain spekulointia huvillemme. Nyt olemme kuitenkin tulleet miljardeja vuosia sitten alkaneen matkamme loppuun. Tähti alkaa kuolla.
Sen ytimessä oleva vety on sulautunut heliumiin, joka kuluttaa vetyä ajan myötä; tähdellä loppuu kaasu. Monien vuosien jälkeen vetyfuusioprosessi alkaa pysähtyä ja tähti kuluttaa vähemmän energiaa. Tämä fuusioprosessin ulkoisen paineen puute häiritsee sitä, mitä kutsumme hydrostaattiseksi tasapainoksi, ja antaa painovoiman (joka yrittää aina murskata tähden) voittaa. Tähti alkaa kutistua nopeasti oman painonsa alla. Mutta, kuten aiemmin keskustelimme, paineen noustessa samoin kuin lämpötilassa. Kaikki tuo helium, joka oli jäljellä
miljardien vuosien vetyfuusio alkaa kuumentua ytimessä. Helium sulautuu paljon kuumemmassa lämpötilassa kuin vety, mikä tarkoittaa, että heliumirikas ydin voidaan puristaa sisäänpäin painovoiman avulla sulamatta (vielä). Koska fuusio ei tapahdu heliumin ytimessä, on vain vähän tai ei lainkaan ulospäin suuntautuvaa voimaa (fuusion avulla) estämään ydin romahtamasta. Aihe muuttuu paljon tiheämmäksi, jonka me nyt merkitsemme rappeutuneeksi, ja se työntää valtavia määriä lämpöä (gravitaatioenergiasta tulee lämpöenergiaa). Tämä saa aikaan jäljelle jäävän vedyn, joka on seuraavissa kerroksissa heliumin ytimen yläpuolella, sulautuen, mikä saa tähden laajentumaan huomattavasti, kun tämä vetykuori palaa käsistä. Tämä saa tähden "palautumaan" ja se laajenee nopeasti; energinen fuusio vetykuorista ytimen ulkopuolella, laajentaen tähden halkaisijaa suuresti. Tähtimme on nyt punainen jättiläinen. Jotkut, elleivät kaikki sisäistä planeettaa, joiden todistamme muodostavan, poltetaan ja nielaisee tähti, joka heille ensin antoi hengen. Jos jollain niistä planeetoista, jotka eivät onnistuneet poistumaan kotimaailmasta, tapahtuu elämä, ne varmasti poistetaan maailmankaikkeudesta, jota ei koskaan tunneta.
Tämä prosessi, jossa tähdellä polttoaine loppuu (ensin vety, sitten helium jne.), Jatkuu jonkin aikaa. Lopulta ytimen helium saavuttaa tietyn lämpötilan ja alkaa sulautua hiileen, mikä lykkää tähden romahtamista (ja kuolemaa). Tähti, jota katsomme tällä hetkellä live-tilassa ja kuolee, on keskikokoinen Main Sequence -tähti, joten sen elämä päättyy heti kun se on sulatettu Heliumiin
Hiiltä. Jos tähti olisi paljon suurempi, tämä fuusioprosessi etenee, kunnes olemme saavuttaneet Raudan. Rauta on elementti, jossa fuusio ei tapahdu spontaanisti, mikä tarkoittaa, että sen sulauttamiseen tarvitaan enemmän energiaa kuin fuusion jälkeen. Tähtimme ei kuitenkaan koskaan pääse raudasta ytimeensä, ja siten se on kuollut, kun se on tyhjentänyt heliumialtaansa. Kun fuusioprosessi lopulta “sammuu” (polttoainetta loputon), tähti alkaa hitaasti jäähtyä ja tähden ulkokerrokset laajenevat ja poistuvat avaruuteen. Myöhemmät tähtimateriaalien poistumiset etenevät niin, että meitä kutsutaan planetaarisumuksi, ja kaikki mitä jäljellä on kertaakaan loistavasta tähdestä, jota kertoimme keväällä syntyvän, on nyt vain tiheän hiilen pallo, joka jäähtyy edelleen loppuaan ikuisuuden, mahdollisesti kiteytyen timantiksi.
Juuri nyt todistamamme kuolema ei ole ainoa tapa, jolla tähti kuolee. Jos tähti on riittävän suuri, sen kuolema on paljon väkivaltaisempi. Tähti purkautuu maailmankaikkeuden suurimpaan räjähdykseen, nimeltään supernova. Monista muuttujista riippuen, tähteen jäännös voi päätyä neutronitähdenä tai jopa mustana aukkona. Mutta suurimmalle osalle siitä, mitä kutsumme keskikokoisiksi pääsekvenssitähteiksi, kuolema, jonka todistamme, on heidän kohtalo.
Matkamme päättyy siihen, että pohdimme havaitsemmemme. Näkemällä, mitä luonto voi tehdä oikeissa olosuhteissa, ja katselemalla erittäin kylmän kaasun ja pölyn pilviä muuttuu jotain, jolla on potentiaalia hengittää elämää kosmokseen. Mielemme mielii takaisin siihen lajiin, joka olisi voinut kehittyä yhdellä noista planeetoista. Mieti, kuinka he ovat saattaneet käydä läpi samanlaiset vaiheet kuin me. Tähteiden käyttö mahdollisesti yliluonnollisina jumaluuksina, jotka ohjasivat uskomuksiaan tuhansien vuosien ajan korvaamalla vastauksia siihen, missä heidän tietämättömyytensä hallitsi. Nämä uskomukset voivat mahdollisesti muuttua uskonnoiksi, ymmärtäen silti erityisen valinnan käsityksen ja suurenmoisen ajatuksen. Voisiko tähdet lisätä heidän haluaan ymmärtää maailmankaikkeus samalla tavalla kuin tähdet tekivät meidän puolestamme? Sitten mielesi pohtii, mikä kohtalomme on, jos emme yritä ottaa seuraavaa askelta maailmankaikkeuteen. Annammeko meidän lajien poistumisen kosmosta, kun tähtemme laajenee kuolemassaan? Tämä matka, jonka olet juuri tehnyt Pimeän Nebulan sydämeen, on todella esimerkki siitä, mitä ihmismieli voi tehdä, ja osoittaa, kuinka pitkälle olemme jo tulleet, vaikka olemme edelleen sitoutuneet aurinkokuntamme. Toiset ovat löytäneet oppimasi asiat, kuten kysyt vain, miten asiat tapahtuvat, ja sitten saatetaan fysiikan tietämyksemme koko painoarvo paljastua. Kuvittele, mitä voimme saavuttaa, jos jatkamme tätä prosessia; pystymme saavuttamaan aseman tähdet kokonaan.
