Nešto je u njima što nas sve zaintrigira. Mnoge religije čovječanstva mogu se vezati za štovanje ovih nebeskih svijeća. Za Egipćane sunce je predstavljalo Boga Ra-a koji je svaki dan izmicao u noć i donosio svjetlo i toplinu u zemlje. Grcima je Apolon upravljao svojim plamenim kolima nebom, osvjetljavajući svijet. Čak se i u kršćanstvu može reći da je Isus reprezentativan za sunce s obzirom na upečatljive karakteristike koje njegova priča drži sa drevnim astrološkim vjerovanjima i brojkama. U stvari, mnoga drevna vjerovanja slijede sličan put, koji sve svoje podrijetlo vežu za obožavanje sunca i zvijezda.
Čovječanstvo je uspjelo od zvijezda na noćnom nebu jer su prepoznali povezanost u obrascu u kojem određene zvijezde (tzv. Zviježđa) predstavljaju specifična vremena u godišnjem ciklusu. Jedno od njih značilo je da će uskoro postati toplije, što je dovelo do sadnje hrane. Ostala zviježđa predviđala su dolazak a
hladnijeg razdoblja, pa ste mogli započeti s pohranjivanjem hrane i prikupljanjem drva za ogrjev. Krećući se naprijed čovječanstvom na putu, zvijezde su tada postale način za navigaciju. Plovidba zvijezdama bio je način da se krenemo, a svoje rano istraživanje dugujemo svojim razumijevanjima zviježđa. Mnogo desetaka tisuća godina koje su ljudske oči gledale prema nebu, tek nedavno smo potpuno shvatili što zapravo jesu zvijezde, odakle dolaze i kako žive i umiru. O tome ćemo raspravljati u ovom članku. Pođite sa mnom dok ulazimo duboko u kosmos i svjedočimo kako fizika piše veliko, dok pokrivam kako se zvijezda rađa, živi i na kraju umire.
Svoje putovanje započinjemo putovanjem u svemir u potrazi za nečim posebnim. Tražimo jedinstvenu strukturu u kojoj su prisutne i prave okolnosti i sastojci. Tražimo ono što astronom naziva Tamna maglina Sigurna sam da ste već čuli za maglice i bez sumnje ste ih vidjeli. Mnoge zadivljujuće slike svemirskog teleskopa Hubble prekrasne su plinske oblake koji svjetlucaju na pozadini milijardi zvijezda. Njihove se boje kreću od dubokih crvenih, do živih bluesa, pa čak i nekih jezivih zelenila. Ovo nije vrsta magline koju ipak tražimo. Maglica koja nam je potrebna je tamna, neprozirna i vrlo, vrlo hladna.
Možda se pitate za sebe: „Zašto tražimo nešto mračno i hladno kad su zvijezde svijetle i tople?“
Doista, to bi se u početku moglo činiti zagonetno. Zašto nešto prvo mora biti hladno prije nego što postane izuzetno vruće? Prvo, moramo pokriti nešto elementarno u onome što nazivamo međuzvjezdani medij (ISM) ili prostoru između zvijezda. Prostor nije prazan kao što bi mu ime trebalo značiti. Prostor sadrži i plin i prašinu. Plin na koji uglavnom mislimo je Vodonik, najbrojniji element u svemiru. Kako svemir nije ujednačen (jednaka gustoća plina i prašine preko svakog kubičnog metra), postoje džepovi prostora koji sadrže više plina i prašine od ostalih. Zbog toga gravitacija manipulira tim džepovima kako bi se sabrali i formirali ono što vidimo kao maglice. Mnogo stvari ulazi u stvaranje ovih različitih maglina, ali ona koju tražimo, Mračna maglica, posjeduje vrlo posebna svojstva. A sada, zaronimo u jednu od tih Tamnih maglina i vidimo što se događa.
Spuštajući se vanjskim slojevima ove maglice, primjećujemo da je temperatura plina i prašine vrlo niska. U nekim maglicama temperature su vrlo vruće. Što više čestica naleti na jednu drugu, pobuđeno apsorpcijom i emisijom vanjskog i unutarnjeg zračenja, znači i veće temperature. Ali u ovoj Mračnoj maglici događa se suprotno. Temperature se smanjuju što dalje u oblaku koji dobivamo. Razlog zbog kojeg te Mračne maglice imaju specifična svojstva koja djeluju na stvaranje sjajnog zvjezdanog rasadnika mora se odnositi na osnovna svojstva maglice i vrstu regije u kojoj oblak postoji, što s njim ima neke teške koncepte koje neću u potpunosti ilustrirati ovdje. Uključuju regiju u kojoj se formiraju molekularni oblaci koji se nazivaju neutralna vodikova regija, a svojstva tih regija moraju se baviti vrijednostima spina elektrona, zajedno s interakcijama magnetskog polja koje utječu na rečene elektrone. Osobine koje ću pokriti su one koje omogućuju da ova posebna maglica sazrije za stvaranje zvijezda.
Isključujući složenu znanost iza onoga što pomaže oblikovanju tih maglina, možemo se početi baviti prvim pitanjem zašto moramo postati hladniji da bismo postali topliji. Odgovor se svodi na gravitaciju. Kada se čestice zagrijavaju ili pobuđuju, oni se brže kreću. Oblak s dovoljno energije sadržavat će previše previše zamaha među česticama prašine i plinova za nastajanje bilo koje vrste formacija. Kao u slučaju, ako se zrnca prašine i atomi plina kreću prebrzo, jednostavno će se odbiti jedan od drugoga ili će samo pucati jedno pokraj drugog, nikad ne postižući bilo kakvu vezu. Bez te interakcije nikad ne možete imati zvijezdu. Međutim, ako su temperature dovoljno hladne, čestice plina i prašine kreću se toliko sporo da će im međusobna gravitacija dopustiti da se "zbližavaju". Upravo taj postupak omogućuje protostar da se formira.
Ono što obično daje energiju koja omogućava brže kretanje čestica u ovim molekularnim oblacima je zračenje. Naravno, u svako doba svemira dolazi zračenje iz svih smjerova. Kao što vidimo s drugim maglicama, one se užarevaju energijom, a zvijezde se ne rađaju među tim vrućim plinovitim oblacima. Oni se zagrijavaju vanjskim zračenjem drugih zvijezda i vlastitom unutarnjom toplinom. Kako ta Tamna maglina sprečava da vanjsko zračenje zagrijava plin u oblaku i tjera ga da se prebrzo kreće da bi se gravitacija zadržala? Ovo je gdje
neprozirna priroda ovih Tamnih maglica dolazi u igru. Neprozirnost je mjera koliko se svjetlost može kretati kroz objekt. Što je više materijala u objektu ili što je predmet deblji, manje je svjetla u njemu moguće prodrijeti. Svjetlost visoke frekvencije (gama zraci, rendgenski zraci i UV), pa čak i vidljive frekvencije, utječu više na guste džepove plina i prašine. Samo svjetlo nižih frekvencija, uključujući infracrveno, mikrotalasno i radio talas, ima uspjeha prodora plinskih oblaka poput ovih, pa čak je i nešto raspršeno tako da općenito ne sadrže gotovo dovoljno energije da započnu s poremećajem ovog nesigurnog proces formiranja zvijezda. Dakle, unutarnji dijelovi tamnih plinovitih oblaka učinkovito su "zaštićeni" vanjskim zračenjem što uništava druge, manje neprozirne maglice. Što je manje zračenja u oblaku, to su niže temperature plina i prašine unutar njega. Niže temperature znače manje kretanja čestica unutar oblaka, što je ključno za ono o čemu ćemo dalje raspravljati.
Doista, dok se spuštamo prema jezgri ovog tamnog molekularnog oblaka, primjećujemo da sve manje i manje vidljive svjetlosti čini to našim očima, a pomoću posebnih filtera možemo vidjeti da se to odnosi i na druge frekvencije svjetlosti. Kao rezultat toga, temperatura oblaka je vrlo niska. Vrijedi napomenuti da proces formiranja zvijezda traje jako dugo, a u interesu da vas stotine tisuća godina ne drže čitati, sada ćemo ubrzati vrijeme. U nekoliko tisuća godina gravitacija je povukla priličnu količinu plina i prašine iz okolnog molekularnog oblaka, zbog čega se ona skupila. Čestice prašine i plina, i dalje zaštićene od vanjskog zračenja, slobodno se prirodno spajaju i “prilijepe” se pri ovim niskim temperaturama. Na kraju se počinje događati nešto zanimljivo. Međusobna gravitacija ove stalno rastuće kuglice plina i prašine započinje efekt snježne kugle (ili zvijezde). Što više slojeva plina i prašine koji se zgrušavaju, gušće postaje unutrašnjost ovog protostora. Ova gustoća povećava gravitacijsku silu u blizini protostara, čime uvlači više materijala u nju. Sa svakim zrnom prašine i atomom vodika koji se akumulira, tlak u unutrašnjosti ove kugle plina raste.
Ako se sjećate ičega iz bilo kojeg razreda kemije koji ste ikada pohađali, možete se prisjetiti vrlo posebnog odnosa tlaka i temperature kada se bavite plinom. PV = nRT, Idealni zakon o plinu, dolazi na pamet. Isključujući konstantnu skalarnu vrijednost 'n' i plinsku konstantu R ({8.314 J / mol x K}), te rješavajući za temperaturu (T), dobivamo T = PV, što znači da je temperatura plinskog oblaka izravno proporcionalna na pritisak. Ako povećate tlak, povećavate i temperaturu. Jezgra ove uskoro zvijezde koja boravi u ovoj Mračnoj maglici postaje vrlo gusta, a pritisak raste. Prema onome što smo upravo izračunali, to znači i da temperatura raste.
Ovu maglicu ponovno razmatramo za sljedeći korak. Ova maglica ima veliku količinu prašine i plina (otuda je i neprozirna), što znači da ima puno materijala za prehranu našeg protostara. Nastavlja s povlačenjem plina i prašine iz svoje okoline i počinje se zagrijavati. Čestice vodika u jezgri ovog objekta odbijaju se tako brzo da ispuštaju energiju u zvijezdu. Protostar se počinje jako zagrijavati i sada svijetli zračenjem (općenito infracrvenim). U ovom trenutku, gravitacija i dalje povlači više plina i prašine, što se dodaje pritiscima koji se vrše duboko u jezgri ovog protostara. Plin Tamne maglice nastavit će se urušavati u sebi dok se ne dogodi nešto važno. Kad u blizini zvijezde ostane gotovo ništa da padne na njenu površinu, ona počinje gubiti energiju (zbog toga što zrači kao svjetlost). Kad se to dogodi, vanjska sila se smanjuje, a gravitacija počinje brže stjecati zvijezdu. To uvelike povećava tlak u jezgri ovog protostara. Kako tlak raste, temperatura u jezgri doseže vrijednost koja je ključna za proces kojem svjedočimo. Jezgra protostora postala je toliko gusta i vruća da dostiže otprilike 10 milijuna Kelvina. Da biste to shvatili, ova je temperatura otprilike 1700x vruća od površine našeg sunca (oko 5800K). Zašto je 10 milijuna Kelvina toliko važno? Budući da se pri toj temperaturi može dogoditi termonuklearna fuzija vodika, a kad se fuzija pokrene, ova novorođena zvijezda se "uključuje" i rasprsne se u život, otpuštajući ogromne količine energije u svim smjerovima.
U jezgri je toliko vruće da su elektroni koji zatrpavaju vodikove protonske jezgre oduzeti (jonizirani), a sve što imate su protoni koji se slobodno kreću. Ako temperatura nije dovoljno vruća, ovi protoni koji lete slobodno (koji imaju pozitivne naboje) jednostavno će se odmicati. Međutim, na 10 milijuna Kelvina, protoni se kreću tako brzo da se mogu dovoljno približiti da dopuste jakoj nuklearnoj sili, a kad to učine, vodikovi protoni počinju se međusobno uranjati dovoljno snage da se spoje, stvarajući Atomi helija i oslobađaju puno energije u obliku zračenja. To je lančana reakcija koja se može sažeti kao 4 protona dajući 1 atom helija + energiju. To spajanje je ono što zapali zvijezdu i uzrokuje da ona gori. Energija oslobođena ovom reakcijom pomaže u pomaganju ostalim vodikovim protonovima da se spajaju, a također isporučuje energiju da se zvijezda ne raspadne na sebe. Energija koja crpi iz ove zvijezde u svim smjerovima, sve dolazi iz jezgre, a sljedeći slojevi ove mlade zvijezde sve prenose tu toplinu na svoj način (koristeći metode zračenja i konvekcije ovisno o tome koja se zvijezda rodila) ,
Ono čemu smo svjedočili sada, od početka našeg putovanja kad smo zaronjeli u onu hladnu Tamnu maglu, rođenje je mlade, vruće zvijezde. Maglica je štitila ovu zvijezdu od zračenja zračenja koje bi je poremetilo ovaj proces, kao i pružanje frigidnog okruženja koje je bilo potrebno gravitaciji da zadrži i radi svoju magiju. Kao što smo bili svjedoci protostar forme, možda smo vidjeli i nešto nevjerojatno. Ako je sadržaj ove maglice tačan, poput naplate velike količine teških metala i silikata (preostalih od supernova prethodnih, masivnijih zvijezda), mogli bismo vidjeti planetarne formacije koje se odvijaju u akrecijskom disku materijala oko protostar.
Ostatak plina i prašine u blizini naše nove zvijezde počeo bi formirati guste džepove istim mehanizmom
gravitacija, što će se na kraju moći računati na protoplanete koji će se sastojati od plina ili silikata i metala (ili kombinacije dva). Kako se kaže, planetarna formacija za nas je još uvijek pomalo misterija, jer čini se da stvari još ne možemo objasniti na djelu. No čini se da ovaj model formiranja sustava zvijezda dobro funkcionira.
Život zvijezde nije ni približno uzbudljiv poput rođenja ili smrti. Nastavit ćemo ubrzavati sat i gledati kako se ovaj zvijezdani sustav razvija. Tijekom nekoliko milijardi godina, ostaci Tamne maglice raznijeli su se i stvorili su i druge zvijezde poput one kojoj smo bili svjedoci, a ona više ne postoji. Planeti koje smo vidjeli nastaju kako je protostar rastao započinju plesom milijardu godina oko svoje matične zvijezde. Možda na jednom od tih svjetova, svijetu koji sjedi na pravoj udaljenosti od zvijezde, tekuća voda postoji. Unutar te vode nalaze se aminokiseline potrebne za proteine (sve sastavljene od elemenata koji su preostali od prethodnih zvijezdanih erupcija). Ovi se proteini mogu povezati kako bi započeli formirati RNA lance, a zatim i DNK lance. Možda u jednom trenutku, nekoliko milijardi godina nakon što se zvijezda rodila, vidimo kako se svemirska vrsta lansira u svemir, ili možda to nikada iz različitih razloga ne postižu i ostaju vezani za planet. Naravno da je ovo samo nagađanje za naše zabave. Međutim, sada smo na kraju našeg puta koji je započeo prije nekoliko milijardi godina. Zvijezda počinje umirati.
Vodik se u svojoj jezgri spaja u helij, koji s vremenom troši vodik; zvijezdi je ponestalo goriva. Nakon mnogih godina, proces fuzije vodika počinje zaustaviti, a zvijezda troši sve manje i manje energije. Taj nedostatak vanjskog pritiska iz procesa fuzije uznemiruje ono što nazivamo hidrostatičkom ravnotežom i omogućuje gravitaciji (koja uvijek pokušava srušiti zvijezdu) da pobijedi. Zvijezda se počinje brzo smanjivati pod vlastitom težinom. Ali, kako smo ranije raspravljali, kako se tlak povećava, tako i temperatura. Sav onaj helij koji je ostao
od milijarde godina fuzija vodika sada se počinje zagrijavati u jezgri. Helij se osigurava na znatno toplijoj temperaturi od vodika, što znači da se jezgra bogata helijem može gravitirati pritiskom prema unutra, bez topljenja (još). Budući da se fuzija ne događa u jezgri Helija, malo je vanjske sile (koja se emitira fuzijom) kako bi se spriječilo raspadanje jezgre. To pitanje postaje mnogo gušće, što sada označavamo kao degenerirano i izbacuje ogromne količine topline (gravitaciona energija postaje toplinska energija). To uzrokuje spajanje preostalog vodika koji se nalazi u sljedećim slojevima iznad helijeve jezgre, što uzrokuje da se zvijezda uvelike proširi kako ova vodikova ljuska izmiče kontroli. Zbog toga se zvijezda "oporavlja" i brzo se širi; energičnija fuzija iz vodikovih školjaka izvan jezgre uvelike širi promjer zvijezde. Naša zvijezda sada je crveni div. Neke, ako ne i sve unutarnje planete kojima smo bili svjedoci, spalit će i progutati zvijezda koja im je prva dala život. Da se dogodio bilo kakav život na nekoj od planeta koji nisu uspjeli napustiti svoj matični svijet, oni bi sigurno bili izbrisani iz svemira, o kojima nikada ne bi bilo poznato.
Taj proces zvijezde ponestane goriva (prvo vodik, zatim helij, itd.) Nastavit će se neko vrijeme. Na kraju će helij u jezgri dostići određenu temperaturu i početi se topiti u Ugljiku, što će zaustaviti kolaps (i smrt) zvijezde. Zvijezda koju trenutno gledamo uživo i umire prosječna je glavna zvijezda zvijezde, pa joj se život završava čim završi spajanjem Helija u
Carbon. Da je zvijezda bila mnogo veća, proces fuzije bi se odvijao sve dok nismo stigli do Željeza. Željezo je element u kojem se fuzija ne odvija spontano, što znači da mu je potrebno više energije za fuziju nego što se nakon fuzije daje. Međutim, naša zvijezda nikada neće dospjeti u Gvožđe u svojoj jezgri, i tako je umrla nakon što je iscrpila svoj rezervoar Helium. Kad se proces fuzije konačno "isključi" (bez plina), zvijezda se polako počinje hladiti, a vanjski slojevi zvijezde se šire i izbacuju se u prostor. Naknadna izbacivanja zvjezdanih materijala nastaju u stvaranju onoga što nazivamo planetarnom maglom, a sve što je ostalo od nekad sjajne zvijezde koju smo gledali kako proljeće postoji, samo je kugla guste ugljike koja će se hladiti cijelu vječnost, moguće kristalizirajući u dijamant.
Smrt kojoj smo bili svjedoci sada nije jedini način na koji zvijezda umire. Ako je zvijezda dovoljno velika, smrt je mnogo nasilnija. Zvijezda će eruptirati u najvećoj eksploziji u svemiru, koja se zove supernova. Ovisno o mnogim varijablama, ostatak zvijezde mogao bi završiti kao neutronska zvijezda ili čak crna rupa. Ali za većinu onoga što nazivamo zvijezdama glavnih veličina prosječne veličine, smrt kojoj smo bili svjedoci bit će njihova sudbina.
Naše putovanje završava razmišljajući o onome što smo promatrali. Vidjeti što sve priroda može učiniti s obzirom na prave okolnosti i gledajući oblak vrlo hladnog plina i prašine pretvaraju se u nešto što ima potencijal udahnuti život u kozmos. Naši umovi lutaju nazad toj vrsti koja bi mogla evoluirati na jednoj od tih planeta. Razmišljate o tome kako su možda prošli faze slične nama. Eventualno koristeći zvijezde kao natprirodna božanstva koja su upravljala svojim vjerovanjima tisućama godina, zamjenjujući odgovore gdje su vladala njihova neznanja. Ta bi se vjerovanja mogla pretvoriti u religije, još uvijek shvaćajući taj pojam posebne selekcije i veličanstvene misli. Bi li zvijezde poticale njihovu želju da razumiju svemir kao što su zvijezde učinile za nas? Vaš um tada razmišlja o tome kakva će biti naša sudbina ako ne pokušamo učiniti sljedeći korak u svemiru. Moramo li dopustiti brisanju naše vrste iz kosmosa dok se naša zvijezda širi u smrti? Ovo putovanje koje ste upravo uputili u srce Mračne maglice doista ilustrira što ljudski um može učiniti i pokazuje vam koliko smo daleko došli iako smo još uvijek vezani za naš sunčev sustav. Stvari koje ste naučili pronašli su i drugi poput vas da jednostavno pitaju kako se stvari događaju i zatim dovode do pune težine našeg znanja iz fizike. Zamislite što možemo postići ako nastavimo taj proces; u mogućnosti da u potpunosti postignemo svoje mjesto među zvijezdama.
