У них є щось, що заінтригує всіх нас. Багато релігій людства можуть бути пов'язані з поклонінням цим небесним свічкам. Для єгиптян сонце було представником Бога Ра, який кожного дня перемагав ніч і приносив світло і тепло в землі. Для греків саме Аполлон гнав свою полум’яну колісницю по небу, висвітлюючи світ. Навіть у християнстві можна сказати, що Ісус є представником сонця, враховуючи вражаючі характеристики, що його історія містить стародавні астрологічні вірування та цифри. Насправді багато древніх вірувань йдуть схожим шляхом, всі вони пов'язують своє походження з поклонінням сонцю та зіркам.
Людство процвітало із зірок на нічному небі, оскільки вони визнавали співвідношення в тій схемі, в якій певні зіркові утворення (відомі як сузір'я) представляли конкретні часи в річному циклі. Одне з яких означало, що незабаром стало тепліше, що призвело до посадки їжі. Інші сузір'я віщували прихід а
холодніший період, тому ви змогли почати зберігати їжу та збирати дрова. Рухаючись вперед у дорозі людства, зірки потім стали способом навігації. Плавання зірками було способом обійти, і ми завдячуємо своєму ранньому дослідженню своїм розумінням сузір'їв. Протягом багатьох десятків тисяч років людські очі дивилися вгору на небо, але лише порівняно недавно ми повністю почали розуміти, що таке насправді зорі, звідки вони походили і як вони живуть і вмирають. Про це ми і поговоримо в цій статті. Приходьте зі мною, коли ми заходимо глибоко в космос і свідчимо, що фізика пише великі, коли я висвітлюю, як зірка народжується, живе і врешті-решт помирає.
Ми починаємо свою подорож, подорожуючи у Всесвіт у пошуках чогось особливого. Ми шукаємо унікальну структуру, де присутні як правильні обставини, так і компоненти. Ми шукаємо те, що астроном називає Темною Туманністю. Я впевнений, що ви чули про туманності раніше, і не сумніваєтесь, що бачили їх. Багато дивовижних зображень, отриманих космічним телескопом Хаббл, - це прекрасні газові хмари, що світяться на тлі мільярдів зірок. Їх кольори варіюються від глибоких червоних, до яскравих блюз і навіть деяких страхітливих зелені. Це не той тип туманності, який ми шукаємо. Туманність, яка нам потрібна, темна, непрозора і дуже-дуже холодна.
Ви можете, дивуючись собі: "Чому ми шукаємо щось темне та холодне, коли зірки яскраві та гарячі?"
Дійсно, це те, що спочатку здавалося б дивним. Чому щось спочатку потрібно холодно, перш ніж воно стане надзвичайно гарячим? По-перше, ми повинні висвітлити щось елементарне про те, що ми називаємо Міжзоряним Середнім (ISM), або простір між зірками. Простір не порожній, як випливає з його назви. Простір містить і газ, і пил. Газ, який ми в основному маємо на увазі, - Водень, найпоширеніший елемент у Всесвіті. Оскільки Всесвіт не рівномірна (однакова щільність газу та пилу на кожному кубічному метрі), є кишені простору, які містять більше газу та пилу, ніж інші. Це змушує тяжкість маніпулювати цими кишенями, щоб зібратися разом і створити те, що ми бачимо як туманності. Багато речей входять у створення цих різних туманностей, але той, який ми шукаємо, Темна Туманність, має дуже особливі властивості. Тепер давайте зануримось в одну з цих Темних Туманностей і подивимося, що відбувається.
Піднімаючись через зовнішні шари цієї туманності, ми помічаємо, що температура газу і пилу дуже низька. У деяких туманностях температура дуже сильна. Чим більше частинок натикається одна на одну, збуджуючись поглинанням та випромінюванням зовнішнього та внутрішнього випромінювання, означає більш високі температури. Але в цій Темній Туманності відбувається навпаки. Температури знижуються далі в хмару, яку ми отримуємо. Причина цих темних туманностей має специфічні властивості, які допомагають створити чудовий зоряний розплідник, пов'язана з основними властивостями туманності та типом регіону, у якому існує хмара, і з цим пов'язані деякі складні поняття, які я не буду повністю проілюструвати тут. Вони включають область, в якій утворюються молекулярні хмари, які називаються нейтральними водневими регіонами, і властивості цих областей повинні мати справу зі значеннями спінових електронів, а також взаємодіями магнітного поля, що впливають на зазначені електрони. Характеристики, які я висвітлю, - це те, що дозволяє цієї конкретної туманності дозріти для утворення зірок.
Виключаючи складну науку, що сприяє формуванню цих туманностей, ми можемо почати вирішувати перше питання, чому нам стає холодніше, щоб нагрітися. Відповідь зводиться до тяжкості. Коли частинки нагріваються або збуджуються, вони рухаються швидше. Хмара з достатньою енергією міститиме занадто багато імпульсу серед кожної з частинок пилу та газу для будь-якого типу утворень. Як і в випадку, якщо пилові зерна та атоми газу рухаються занадто швидко, вони просто відскакують одне від одного або просто простріляються повз один одного, ніколи не досягаючи жодного типу зв’язку. Без цієї взаємодії ви ніколи не можете мати зірку. Однак якщо температури досить холодні, частинки газу та пилу рухаються настільки повільно, що їх взаємна гравітація дозволить їм почати «склеюватися». Саме цей процес дозволяє почати формувати протостар.
Як правило, те, що забезпечує енергію для швидшого руху частинок у цих молекулярних хмарах, є випромінюванням. Звичайно, є радіація, що надходить з усіх боків у всі часи Всесвіту. Як ми бачимо з іншими туманностями, вони світяться енергією, а зірки не народжуються серед цих гарячих газових хмар. Вони нагріваються зовнішнім випромінюванням інших зірок та власним внутрішнім теплом. Як ця Темна Туманність заважає зовнішньому випромінюванню нагрівати газ у хмарі і змушує його рухатись надто швидко, щоб гравітація затрималася? Ось де
непрозора природа цих Темних Туманностей вступає в гру. Непрозорість - це міра того, скільки світла здатне рухатися через об’єкт. Чим більше матеріалу в предметі чи товщі предмет, тим менше світла здатне проникати в нього. На більш високі частоти світла (гамма-промені, рентгенівські промені та ультрафіолетові випромінювання) та навіть видимі частоти більше впливають густі кишені газу та пилу. Тільки низькочастотні типи світла, включаючи інфрачервоне, мікрохвильове та радіохвильове, мають будь-який успіх проникнення газових хмар, таких як ці, і навіть воно дещо розсіяне, так що в цілому вони не містять майже достатньої кількості енергії, щоб почати порушувати цю нестабільну ситуацію процес утворення зірки. Таким чином, внутрішні ділянки темних газових хмар ефективно «захищені» від зовнішнього випромінювання, що порушує інші, менш непрозорі туманності. Чим менше випромінювання потрапляє в хмару, тим нижчі температури газу і пилу всередині нього. Холодніші температури означають менший рух частинок всередині хмари, що є ключовим для того, що ми обговоримо далі.
Дійсно, коли спускаємося до ядра цієї темної молекулярної хмари, ми помічаємо, що все менше видимого світла робить це нашим очам, і за допомогою спеціальних фільтрів ми можемо побачити, що це стосується інших частот світла. В результаті температура хмари дуже низька. Варто зазначити, що процес утворення зірок займає дуже багато часу, і в інтересах не читати вас читати протягом сотень тисяч років, ми зараз будемо швидко рухатися вперед. За кілька тисяч років гравітація витягнула з навколишньої молекулярної хмари неабияку кількість газу та пилу, внаслідок чого вона збилася. Частинки пилу і газу, все ще захищені від зовнішнього випромінювання, можуть природно зібратися і "прилипати" при цих низьких температурах. Врешті-решт щось цікаве починає відбуватися. Взаємна сила цієї постійно зростаючої кулі газу і пилу починає ефект снігової кулі (або зірки). Чим більше шарів газу і пилу, коагулюються разом, тим щільніше стає інтер'єр цієї протостар. Ця щільність збільшує гравітаційну силу поблизу протостар, тим самим втягуючи в неї більше матеріалу. З кожним накопиченням зерна пилу та водню, тиск у внутрішній частині цієї кульки газу збільшується.
Якщо ви пам'ятаєте що-небудь з будь-якого класу хімії, який ви коли-небудь брали, ви можете згадати дуже особливий взаємозв'язок між тиском і температурою при роботі з газом. PV = nRT - ідеальний закон про газ. Виключаючи постійне скалярне значення 'n' і газову константу R ({8,314 Дж / моль x K}), вирішуючи для температури (T), отримуємо T = PV, що означає, що температура газової хмари прямо пропорційна тиску. Якщо тиск збільшуєш, ти збільшуєш температуру. Ядро цієї найближчої зірки, що проживає в цій Темній Туманності, стає дуже щільною, а тиск зростає. Відповідно до того, що ми щойно підрахували, це означає, що температура також зростає.
Ми ще раз розглядаємо цю туманність для наступного кроку. Ця туманність має велику кількість пилу та газу (отже, вона непрозора), а значить, у неї є багато матеріалу для живлення нашої протостар. Він продовжує витягувати газ і пил з навколишнього середовища і починає нагріватися. Частинки водню в ядрі цього об'єкта підстрибують навколо так швидко, що вони випускають енергію в зірку. Протостар починає дуже нагріватися і тепер світиться радіацією (як правило, інфрачервоною). У цей момент гравітація все ще тягне більше газу та пилу, що додає тиск, що чиниться глибоко в ядрі цього протостар. Газ Темної Туманності буде продовжувати руйнуватися сам по собі, поки не станеться щось важливе. Коли біля зірки майже нічого не залишається, щоб впасти на її поверхню, вона починає втрачати енергію (завдяки їй випромінюється як світло). Коли це відбувається, ця зовнішня сила зменшується, а сила тяжіння починає стискати зірку швидше. Це значно збільшує тиск в ядрі цього протостар. У міру зростання тиску температура в ядрі досягає значення, яке має вирішальне значення для процесу, який ми спостерігаємо. Ядро протостара стало настільки щільним і гарячим, що сягає приблизно 10 мільйонів Кельвінів. З огляду на це, ця температура приблизно на 1700 разів гаряча, ніж поверхня нашого сонця (близько 5800 К). Чому 10 мільйонів кельвінів так важливі? Оскільки при цій температурі може відбутися термоядерний синтез Гідрогену, і як тільки злиття розпочнеться, ця новонароджена зірка «включається» і спалахує, посилаючи величезну кількість енергії в усі боки.
У ядрі настільки гаряче, що електрони, що блискають навколо протонових ядер водню, позбавляються (іонізуються), і все, що у вас є, є вільними рухомими протонами. Якщо температура недостатньо гаряча, ці вільні літаючі протони (які мають позитивні заряди) просто відкидаються один від одного. Однак, на 10 мільйонів Кельвінів, протони рухаються так швидко, що вони можуть наблизитися досить близько, щоб дозволити сильним ядерним силам взяти на себе владу, і коли це зробить Водородні протони починають ляскати один в одного з достатньою силою, щоб злитися разом, створюючи Атоми гелію і виділяючи багато енергії у вигляді випромінювання. Це ланцюгова реакція, яку можна підсумувати, як 4 протони дають 1 атом гелію + енергію. Це злиття - це те, що запалює зірку і змушує її «горіти». Енергія, звільнена цією реакцією, допомагає іншим протонам Гідрогену плавитись, а також постачає енергію, щоб зірка не розвалювалася на собі. Енергія, яка викачується з цієї зірки у всіх напрямках, все надходить з ядра, і наступні шари цієї молодої зірки всі передають це тепло по-своєму (використовуючи методи випромінювання та конвекції залежно від того, який тип зірки народився) .
Те, що ми стали свідками зараз, від початку нашої подорожі, коли ми занурюємось у ту холодну Темну Туманність, - це народження молодої гарячої зірки. Туманність захищала цю зірку від помилкового випромінювання, яке порушило б цей процес, а також забезпечило холодне середовище, яке було необхідне для гравітації, щоб утриматись і працювати над її магією. Коли ми були свідками форми протостар, можливо, ми також побачили щось неймовірне. Якщо вміст цієї туманності є правильним, наприклад, з великою кількістю важких металів і силікатів (що залишилося від наднових попередніх, більш масивних зірок), ми могли б почати бачити планетарне утворення, що відбувається в накопичувальному диску матеріал навколо протостар.
Залишився газ і пил поблизу нашої нової зірки почали б утворювати щільні кишені за тим же механізмом
сила тяжіння, врешті-решт, зможе вписатись у протопланети, які будуть складатися з газу або силікатів та металу (або комбінації двох). Коли ми говоримо, планетарне утворення все ще дещо є загадкою для нас, оскільки, здається, є речі, які ми ще не можемо пояснити на роботі. Але ця модель формування зіркової системи, здається, працює добре.
Життя зірки не настільки хвилююче, як її народження чи смерть. Ми будемо продовжувати швидкий рух годинника вперед і спостерігати за розвитком цієї зіркової системи. За кілька мільярдів років залишки Темної Туманності були роздуті, а також утворили інші зірки, як та, до якої ми стали свідками, і її більше не існує. Планети, які ми бачили, формуються у міру зростання протостар, починають танцювати мільярд років навколо своєї материнської зірки. Можливо, на одному з цих світів, світі, який сидить на правильній відстані від зірки, існує рідка вода. Всередині цієї води містяться необхідні для білків амінокислоти (всі складаються з елементів, які були залишені попередніми зоряними виверженнями). Ці білки здатні з'єднатись разом, щоб почати формувати ланцюги РНК, потім ланцюги ДНК. Можливо, в один момент через кілька мільярдів років після народження зірки ми бачимо, як космічний вид запускається в космос, або, можливо, вони ніколи цього не досягають з різних причин і залишаються пов'язаними з планетою. Звичайно, це лише спекуляція нашим розвагою. Однак зараз ми закінчуємо нашу подорож, яка розпочалася мільярди років тому. Зірка починає вмирати.
Водень у своїй ядрі зливається в гелій, який з часом виснажує Водень; у зірки не вистачає газу. Через багато років процес синтезу водню починає зупинятися, і зірка виділяє все менше і менше енергії. Ця відсутність зовнішнього тиску в процесі синтезу порушує те, що ми називаємо гідростатичною рівновагою, і дозволяє гравітації (яка завжди намагається розчавити зірку) перемогти. Зірка починає швидко скорочуватися під власною вагою. Але, як ми говорили раніше, коли тиск збільшується, так і температура. Весь той гелій, що залишився
з мільярдів років синтез водню починає нагріватися в ядрі. Гелій плавиться при набагато гарячішій температурі, ніж Воднев, а це означає, що серцевина, багата на гелій, здатна натискати всередину самопливом, не плавлячись (поки що). Оскільки злиття не відбувається в ядрі гелію, зовнішньої сили (виділяється плавленням) мало, щоб не запобігти руйнуванню ядра. Ця речовина стає набагато щільнішою, яку ми зараз називаємо виродженою, і виштовхує величезну кількість тепла (гравітаційна енергія стає тепловою енергією). Це призводить до того, що залишився Водень, який знаходиться в наступних шарах над ядром гелію, плавиться, що призводить до того, що зірка сильно розшириться, коли ця оболонка Водневу випали з-під контролю. Це робить зірку «відскокою» і вона швидко розширюється; більш енергійний синтез із водневих оболонок поза серцевиною значно розширює діаметр зірки. Наша зірка зараз - червоний гігант. Деякі, якщо не всі внутрішні планети, яким ми були свідками форми, будуть спалюватися і проковтуватися зіркою, яка вперше дала їм життя. Якби на будь-якій з цих планет не вийшло залишити свій рідний світ, вони, безумовно, були б стерті з Всесвіту, про що ніколи не буде відомо.
Цей процес у зірки, що закінчується паливом (спочатку Водень, потім Гелій тощо), триватиме деякий час. Врешті-решт, гелій в ядрі досягне певної температури і почне плавитися у Карбон, що відкладе крах (і смерть) зірки. Зірка, яку ми зараз спостерігаємо в прямому ефірі і помирає, - це головна зірка середнього розміру, тому її життя закінчується, як тільки вона закінчиться злиттям гелію
Вуглець. Якби зірки було значно більше, цей процес плавлення тривав би, поки ми не дійшли до Заліза. Залізо - це елемент, в якому синтез не відбувається спонтанно, тобто для його плавлення потрібно більше енергії, ніж виділяється після плавлення. Однак наша зірка ніколи не добереться до заліза в своєму ядрі, і, таким чином, вона загинула після того, як вичерпає свій гелійний резервуар. Коли процес синтезу нарешті "вимикається" (без газу), зірка повільно починає охолоджуватися, а зовнішні шари зірки розширюються і викидаються в космос. Подальші викиди зоряного матеріалу продовжують створювати те, що ми називаємо планетарною туманністю, і все, що залишилося від колись блискучої зірки, яку ми спостерігали за весняною історією, тепер - це лише куля з щільного вуглецю, яка буде охолоджуватися протягом усієї вічності, можливо кристалізується в алмаз.
Смерть, якій ми стали свідками зараз, - це не єдиний спосіб, як помирає зірка. Якщо зірка досить велика, її смерть набагато більш жорстока. Зірка вибухне в найбільший вибух у Всесвіті, який називається надновою. Залежно від багатьох змінних, залишок зірки може закінчитися нейтронною зіркою або навіть чорною дірою. Але для більшості того, що ми називаємо зірками головних послідовностей середнього розміру, смерть, якою ми стали свідками, стане їхньою долею.
Наша подорож закінчується роздумом над тим, що ми спостерігали. Бачити лише те, що може зробити природа за правильних обставин, і спостерігати, як хмара дуже холодного газу та пилу перетворюється на щось, що має потенціал вдихнути життя в космос. Наш розум блукає назад до того виду, який міг би розвиватися на одній із цих планет. Ви думаєте про те, як вони, можливо, пройшли фази, подібні до нас. Можливо, використовуючи зірки як надприродні божества, які керували своїми віруваннями тисячі років, підставляючи відповіді на те, де панувало їхнє невігластво. Ці вірування, можливо, можуть перетворитися на релігії, все ще сприймаючи це поняття особливого підбору та великодумної думки. Чи підживлять зірки своє бажання зрозуміти Всесвіт так, як це робили для нас зірки? Тоді ваш розум замислюється про те, якою буде наша доля, якщо ми не спробуємо зробити наступний крок у Всесвіті. Чи ми повинні дозволити видалити наш вид з космосу, коли наша зірка розширюється в смерті? Ця подорож, яку ви щойно здійснили в серце Темної Туманності, справді ілюструє, що може зробити людський розум, і показує вам, наскільки ми далеко зайшли, хоча ми все ще пов'язані з нашою Сонячною системою. Те, що ви навчились, знайшли інші, як ви, просто запитуючи, як це відбувається, а потім зводити всю вагу наших знань з фізики. Уявіть, що ми можемо досягти, якщо продовжувати цей процес; вміючи повністю досягти нашого місця серед зірок.
