Наше небо затьмарене в морі зоряних привидів; всі потенційні фантоми, які загинули мільйони років, але ми цього ще не знаємо. Саме це ми сьогодні обговоримо. Що відбувається з найбільшою з наших зірок, і як це впливає на саму структуру Всесвіту, в якому ми живемо.
Ми починаємо цю подорож, спостерігаючи туманність Краба. Його красиві кольори поширюються назовні в темну порожнечу; небесна гробниця, що містить жорстокі події, що сталися тисячоліть тому. Ви протягнете руку і з пальцем зап'ястя приступаєте до перемотування часу і спостерігаєте, як ця прекрасна туманність починає скорочуватися. Коли годинник повертається назад, кольори туманності починають змінюватися, і ви помічаєте, що вони скорочуються до однієї точки. З наближенням календаря 5 липня 1054 року газоподібна хмара прояснюється і осідає на єдиній точці на небі, яка є такою яскравою, як повний місяць, і видно протягом дня. Яскравість згасає, і зрештою там пролягає вершина світла; зірка, яку ми сьогодні не бачимо. Ця зірка померла, проте в цей час ми не знали цього. Спостерігачеві до цієї дати ця зірка виявилася вічною, як і всі інші зірки. Однак, як ми знаємо з нашої привілейованої точки зору, ця зірка ось-ось перейде в наднову і народиться однією з найяскравіших туманностей, яку ми спостерігаємо сьогодні.
Зоряні привиди - це влучний спосіб опису багатьох масивних зірок, які ми бачимо розкиданими по всесвіту. Багато хто не усвідомлює, що коли ми дивимося у глиб Всесвіту, ми не тільки дивимося на величезні відстані, але й заглядаємо назад у час. Однією з основних властивостей Всесвіту, яку ми досить добре знаємо, є те, що світло рухається з кінцевою швидкістю: приблизно 300 000 000 м / с (приблизно 671 000 000 миль / миль). Ця швидкість була визначена за допомогою багатьох суворих випробувань та фізичних доказів. Насправді, розуміння цієї фундаментальної константи є ключовим у великій частині того, що ми знаємо про Всесвіт, особливо стосовно загальної відносності та квантової механіки. Незважаючи на це, знання швидкості світла є ключовим для розуміння того, що я маю на увазі під зоряними привидами. Розумієте, інформація рухається зі швидкістю світла. Ми використовуємо світло від зірок, щоб спостерігати їх і з цього розуміти, як вони діють.
Гідним прикладом цього відставання є власне сонце. Наше сонце знаходиться приблизно за 8 світлових хвилин. Це означає, що світлу, яке ми бачимо від нашої зірки, потрібно 8 хвилин, щоб здійснити подорож від її поверхні до наших очей на землі. Якби наше сонце зараз раптово зникло, ми б про це не знали 8 хвилин; це включає не лише світло, яке ми бачимо, але навіть його гравітаційний вплив, який чиняться на нас. Отже, якби зараз сонце зникло, ми продовжили б наш орбітальний шлях щодо нашої вже неіснуючої зірки ще 8 хвилин до того, як гравітаційна інформація дійшла до нас, повідомивши нас, що ми більше не гравітаційно прив’язані до неї. Це встановлює наш космічний обмеження швидкості щодо того, наскільки швидко ми можемо отримувати інформацію, а це означає, що все, що ми спостерігаємо глибоко у Всесвіті, приходить до нас так, як це було «x» кількість років тому, де «x» - це його світлова відстань від нас. Це означає, що ми спостерігаємо зірку, яка знаходиться за 10 світлових років від нас, як це було 10 років тому. Якби ця зірка померла прямо зараз, ми б про це не знали ще 10 років. Таким чином, ми можемо визначити це як «зоряний привид»; зірка, яка мертва з точки зору свого місця, але все ще жива і здорова у нас.
Як ми розповідали у попередній моїй статті (Зірки: День у житті), еволюція зірки є складною та дуже динамічною. Багато факторів відіграють важливу роль у всьому, від визначення того, чи буде зірка взагалі формуватися, до розміру і, таким чином, терміну експлуатації вказаної зірки. У попередній статті, згаданій вище, я висвітлюю основи зоряного утворення та життя того, що ми називаємо зірками головної послідовності, а точніше зірками, дуже схожими на наше власне сонце. Хоча процес утворення та життя основної зірки послідовності та зірок, про які ми будемо обговорювати, досить схожі, існують важливі відмінності в тому, як гинуть зірки, яких ми будемо досліджувати. Основні випадки смерті зірок є цікавими, але вони навряд чи порівнюються із способами згинання в просторі, якими закінчуються ці великі зірки.
Як згадувалося вище, коли ми спостерігали за давно зіркою зіркою, що лежала в центрі туманності Краба, з’явилася точка, в якій цей предмет світився таким же яскравим, як повний місяць, і його можна було побачити протягом дня. Що може призвести до того, що щось стане настільки яскравим, що було б порівняно з нашим найближчим небесним сусідом? Якщо врахувати туманність Краба на відстані 6,523 світлових років, це означало, що щось, що знаходиться приблизно в 153 мільярди разів далі, ніж наш Місяць, сяяло так яскраво, як місяць. Це було тому, що зірка пішла наднову, коли вона померла, це доля зірок, значно більших за наше сонце. Зірки, більші за наше Сонце, після смерті опиняться у двох дуже екстремальних станах: нейтронні зірки та чорні діри. Обидва є гідними темами, які могли б охопити тижні курсу астрофізики, але для нас сьогодні ми просто розберемося, як формуються ці гравітаційні монстри та що це означає для нас.
Життя зірки - це історія майже втікаючого злиття, що міститься в руці власного гравітаційного присутності. Ми називаємо цю гідростатичну рівновагу, при якій тиск назовні з боку плавких елементів у серцевині зірки дорівнює внутрішньому гравітаційному тиску, що застосовується за рахунок маси зірки. У ядрі всіх зірок водень (спочатку) вливається у гелій. Цей водень походив з туманності, з якої народилася зірка, яка злилася і розпалася, що дало зірці перший шанс у житті. Протягом життя зірки водень буде витрачатися, і все більше гелію "золи" буде конденсуватися в центрі зірки. Врешті-решт у зірки вичерпається водень, і синтез ненадовго припиниться. Ця відсутність зовнішнього тиску через відсутність злиття тимчасово дозволяє гравітації виграти, і вона розчавить зірку вниз. У міру зменшення зірки щільність, а отже, і температура в ядрі зірки зростає. Врешті-решт вона досягає певної температури і попіл гелію починає плавитись. Ось так усі зірки протікають протягом усієї основної частини свого життя і на перших етапах своєї смерті. Однак саме тут зірки розміром із сонцем та масивні зірки ми обговорюємо частину шляху.
Зірка, яка приблизно близька за розмірами нашого власного сонця, пройде цей процес, поки не досягне вуглецю. Зірки такого розміру просто недостатньо великі, щоб плавити вуглець. Таким чином, коли весь гелій злитий у кисень та вуглець (за допомогою двох процесів, які тут занадто складні для покриття), зірка не може «розчавити» кисень та вуглець, щоб розпочати синтез, гравітація виграє і зірка вмирає. Але зірки, які мають достатньо більшу масу, ніж наше Сонце (приблизно в 7 разів більше маси), можуть продовжувати проходити повз ці елементи і продовжувати світити. Вони мають достатню масу, щоб продовжувати цей процес "розчавлення та сплавлення", який є динамічною взаємодією в серцях цих небесних печей.
Ці більші зірки продовжуватимуть процес синтезу минулого вуглецю та кисню, минулого кремнію, доки не досягають заліза. Залізо - це смертельна записка, яку співають ці палаючі бегемоти, коли коли залізо починає заповнювати їх тепер умираюче ядро, зірка в смерті кидає. Але ці масивні структури енергії не йдуть тихо в ніч. Вони виходять найефектнішими способами. Коли останній із залізних елементів зливається у своїх ядрах, зірка починає свою пристойність у небуття. Зірка врізається в себе, оскільки не має можливості запобігти невгамовному зчепленню гравітації, розчавивши наступні шари, що залишилися від елементів, протягом життя. Це внутрішнє вільне падіння зустрічається певного розміру з неможливою силою порушення; тиск виродження нейтрона, який змушує зірку відскочити назовні. Ця величезна кількість гравітаційної та кінетичної енергії вискакує з люттю, яка висвітлює Всесвіт, перекриваючи цілі галактики за мить. Ця лють - це кров життя космосу; барабан б'ється в симфонічній галактиці, оскільки ця інтенсивна енергія дозволяє сплавити елементи, важчі заліза, аж до урану. Ці нові елементи вибухнуті назовні цією дивовижною силою, проїжджаючи хвилі енергії, що відкидає їх углиб космосу, засіваючи Всесвіт усіма елементами, про які ми знаємо.
Але що залишилося? Що там після цієї видовищної події? Все знову залежить від маси зірки. Як вже згадувалося раніше, дві форми, які приймає мертва масивна зірка, це або Зоря Нейтрона, або Чорна Діра. Для нейтронної зірки формування є досить складним. По суті, події, які я описав, відбуваються, за винятком того, що після сверхнових все, що залишилося, - це куля вироджених нейтронів. Вироджене - це просто термін, який ми застосовуємо до форми, яка має значення, коли вона стискається до меж, дозволених фізикою. Щось вироджене дуже інтенсивно, і це неймовірно стосується нейтронної зірки. Можливо, ви чули, що ця чайна ложка матеріалу нейтронної зірки важить приблизно 10 мільйонів тонн і має швидкість втечі (швидкість, необхідна для того, щоб піти від її гравітаційного потягу) приблизно в 1,4 градуса, або 40% швидкості світла. Іноді нейтронна зірка залишається крутитися з неймовірними швидкостями, і ми позначаємо їх пульсарами; назва походить від того, як ми їх виявляємо.
Ці типи зірок генерують багато випромінювання. Нейтронні зірки мають величезне магнітне поле. Це поле прискорює електрони в їх зоряній атмосфері до неймовірних швидкостей. Ці електрони йдуть за лініями магнітного поля нейтронної зірки до її полюсів, де вони можуть випускати радіохвилі, рентгенівські промені та гамма-промені (залежно від типу нейтронної зірки). Оскільки ця енергія концентрується на полюсах, вона створює своєрідний маяковий ефект з великими енергетичними променями, що діють як пучки світла з маяка. Коли зірка обертається, ці промені промітають багато разів в секунду. Якщо Земля, а отже, і наше спостережне обладнання, буде сприятливо орієнтоване на цей пульсар, ми реєструємо ці «імпульси» енергії, коли промені зорі над нами змиваються. Для всіх пульсарів, про які ми знаємо, ми набагато далеко, щоб ці пучки енергії нашкодили нам. Але якби ми були поруч з однією з цих мертвих зірок, це радіаційне миття над нашою планетою постійно би загрожувало певне вимирання на все життя, як ми це знаємо.
Яка інша форма, яку приймає мертва зірка; чорна діра? Як це відбувається? Якщо вироджений матеріал настільки, наскільки ми можемо розчавити матерію, як з'являється чорна діра? Простіше кажучи, чорні діри є результатом немислимо великої зірки і, таким чином, справді масивної кількості речовини, яка здатна "зламати" цей тиск виродження нейтронів при колапсі. Зірка по суті падає всередину з такою силою, що порушує цю, здавалося б, фізичну межу, перетворюючись на себе і загортаючи космічний час у точку нескінченної щільності; особливість. Ця дивовижна подія відбувається, коли зірка приблизно в 18 разів перевищує кількість маси, яке має наше сонце, і коли воно помирає, це справді є втіленням фізики, до кінця. Ця «зайва частина маси» - це те, що дозволяє їй згортати цю кульку вироджених нейтронів і падати до нескінченності. Думати страшно і красиво; точка в просторі часу, яка не повністю зрозуміла нашій фізиці, і все ж те, що ми знаємо, існує. По-справжньому чудова річ про чорні діри полягає в тому, що це все одно, що Всесвіт працює проти нас. Інформація, необхідна нам для повного розуміння процесів у чорній дірі, зачинена за вуаллю, яку ми називаємо горизонтом подій. Це точка не повернення чорної діри, для якої все, що знаходиться поза цією точкою в космічному часі, не має майбутніх шляхів, які ведуть з неї. На цій відстані від розваленої зірки в її ядрі нічого не виходить, навіть світла, і тому жодна інформація ніколи не залишає цю межу (принаймні, не у формі, яку ми можемо використовувати). Темне серце цього справді приголомшливого предмета залишає бажати кращого і спокушає нас перейти у його царство, щоб спробувати пізнати непізнаване; щоб схопити плід з дерева знань.
Зараз, треба сказати, багато чого на шляху дослідження з чорними дірами до цього дня. Такі фізики, як професор Стівен Хокінг, серед інших, невтомно працювали над теоретичною фізикою щодо того, як функціонує чорна діра, намагаючись вирішити парадокси, які часто з’являються, коли ми намагаємось використати проти них найкращу фізику. Про такі дослідження та їх подальші висновки існує багато статей і статей, тому я не занурююся в їх тонкощі як для бажаючих зберегти простоту в розумінні, так і щоб не відводити від дивовижних розумів, які працюють над цими питаннями. Багато хто припускає, що сингулярність - це математична цікавість, яка не повністю представляє те, що відбувається фізично. Що справа всередині горизонту подій може набувати нових і екзотичних форм. Варто також зазначити, що в загальній відносності все, що має масу, може обвалитися до чорної діри, але ми, як правило, дотримуємось широких мас, оскільки створення чорної діри з чим-небудь меншим, ніж є в цьому масовому діапазоні, не виходить за наше розуміння того, як це могло статися. Але, як хтось, хто вивчає фізику, мені не хочеться згадувати, що зараз ми знаходимося в цікавому перетині ідей, які дуже тісно розглядають те, що насправді відбувається в цих спектрах сили тяжіння.
Все це повертає мене до того, що потрібно зробити. Факт, який потрібно визнати. Описуючи смерть цих масивних зірок, я торкнувся чогось, що відбувається. Коли зірка розривається окремо від власної енергії і її вміст видувається назовні у Всесвіт, відбувається щось, що називається нуклеосинтезом. Це злиття елементів для створення нових елементів. Від водню аж до урану. Ці нові елементи видуваються назовні неймовірною швидкістю, і, таким чином, всі ці елементи з часом знайдуть свій шлях у молекулярні хмари. Молекулярні хмари (Темні туманності) - це зоряні розплідники космосу. Тут починаються зірки. І від зіркового утворення ми отримуємо планетарне утворення.
У міру формування зірки хмара сміття, що складається з молекулярної хмари, яка породила згадану зірку, починає крутитися навколо неї. Ця хмара, як ми тепер знаємо, містить усі ті елементи, які були приготовані в наших наднових. Вуглець, кисень, силікати, срібло, золото; всі присутні в цій хмарі. Цей накопичувальний диск про цю нову зірку - це те, де утворюються планети, що зливаються з цього збагаченого середовища. Кулі скелі та льоду стикаються, наростають, розриваються, а потім реформуються, коли гравітація працює своїми рупими руками, щоб перетворити ці нові світи на острівці можливості. Ці планети утворені з тих самих елементів, які були синтезовані під час катаклізму. Ці нові світи містять креслення для життя, як ми його знаємо.
На одному з цих світів відбувається певна суміш водню та кисню. У межах цієї суміші певні атоми вуглецю утворюються для створення реплікаційних ланцюгів, які слідують простому шаблону. Можливо, через мільярди років ці самі елементи, що були вкинуті у Всесвіт тією вмираючою зіркою, виявляють, що дарують життя чомусь, що може підняти погляд і оцінити велич Космосу. Можливо, щось має інтелект, щоб усвідомити, що атом вуглецю всередині нього - це той самий атом вуглецю, який був створений у вмираючої зірки, і що сталася наднова, яка дозволила цьому атому вуглецю знайти свій шлях у правій частині Всесвіту на правильний час. Енергія, яка була останньою вмираючою диханням давно мертвої зірки, була такою ж енергією, яка дозволила життю зробити перший вдих і поглянути на зірки. Ці зоряні привиди - наші предки. Вони перейшли у форму, але все ж залишаються в нашій хімічній пам’яті. Вони існують всередині нас. Ми - супернові. Ми зоряний пил. Ми походили від зоряних привидів ...
