Naše je nebo prekriveno morem zvjezdanih duhova; svi potencijalni fantomi koji su mrtvi već milijunima godina, a mi to još ne znamo. To je ono o čemu ćemo danas razgovarati. Što se događa s najvećim našim zvijezdama i kako to utječe na samu šminku svemira u kojem živimo.
Ovo putovanje započinjemo promatrajući maglu Rakova. Njegove prekrasne boje pružaju se prema van u tamnu prazninu; nebeska grobnica s nasilnim događajem koji se dogodio prije tisućljeća. Ispružite ruku i zamahom zgloba započnete vrijeme premotavanja i promatrate kako se ove prekrasne maglice počinju smanjivati. Kako se sat vijuga unazad, boje maglice počinju se mijenjati i primijetite da se smanjuju na jednu točku. Kako se kalendar približava 5. srpnja 1054., plinovit se oblak osvjetljava i smješta se na jednu točku na nebu koja je svijetla poput punog mjeseca i vidljiva je tijekom dana. Svjetlina izblijedi i na kraju je tamo ležao tačak svjetlosti; zvijezda koju danas ne vidimo. Ova je zvijezda umrla, međutim u ovom trenutku to ne bismo znali. Promatraču prije ovog datuma ova se zvijezda činila vječnom, kao i sve ostale zvijezde. Ipak, kao što znamo iz povlaštenog vidikovca, ova će zvijezda uskoro postati supernova i roditi jednu od najspektakularnijih maglina koju danas promatramo.
Zvjezdani duhovi prikladan su način opisa mnogih masivnih zvijezda koje vidimo raštrkane po svemiru. Ono što mnogi ne shvaćaju je da kad pogledamo duboko u svemir, ne samo da ne gledamo preko velikih daljina, već gledamo natrag u vrijeme. Jedno od osnovnih svojstava svemira koje dobro poznajemo jest da svjetlost putuje ograničenom brzinom: otprilike 300.000.000 m / s (otprilike 671.000.000 mph). Ova brzina određena je mnogim rigoroznim testovima i fizičkim dokazima. U stvari, razumijevanje ove temeljne konstante ključno je za mnogo onoga što znamo o svemiru, posebno u pogledu opće relativnosti i kvantne mehanike. Unatoč tome, poznavanje brzine svjetlosti ključno je za razumijevanje što mislim na zvjezdane duhove. Vidite, informacije se kreću brzinom svjetlosti. Mi koristimo svjetlost zvijezda da ih promatramo i iz toga razumijemo kako djeluju.
Dostojan primjer ovog vremenskog odmaka je naše vlastito sunce. Sunce nam je udaljeno otprilike 8 svjetlosnih minuta. Znači da svjetlu koje vidimo od naše zvijezde treba 8 minuta da putuje od njene površine do naših očiju na zemlji. Da je naše sunce trenutno iznenada nestalo, ne bismo to znali 8 minuta; to ne uključuje samo svjetlost koju vidimo, već čak i njen gravitacijski utjecaj koji djeluje na nas. Dakle, ako je sunce odmah nestalo, nastavili bismo našim orbitalnim putem oko naše sada nepostojeće zvijezde još 8 minuta prije nego što su nas došle gravitacijske informacije obavještavajući nas da nismo više gravitacijski vezani za to. Ovo uspostavlja našu kozmičku granicu brzine za brzinu primanja informacija, što znači da sve što promatramo duboko u svemiru dođe do nas kao prije nekoliko godina, a 'x' je njegova svjetlosna udaljenost od nas. To znači da promatramo zvijezdu koja je udaljena 10 svjetlosnih godina od nas kao prije 10 godina. Da je ta zvijezda odmah umrla, ne bismo znali za to još 10 godina. Prema tome, možemo ga definirati kao "zvjezdani duh"; zvijezda koja je mrtva iz perspektive na svom mjestu, ali još uvijek živa i zdrava kod nas.
Kao što je objašnjeno u prethodnom mojem članku (Stars: A Day in Life), evolucija zvijezde je složena i vrlo dinamična. Mnogi čimbenici igraju važnu ulogu u svemu, od utvrđivanja hoće li se zvijezda uopće formirati, do veličine i samim tim vijeka trajanja navedene zvijezde. U prethodnom članku spomenutom bavim se osnovama zvjezdane formacije i životom onoga što nazivamo zvijezdama glavnih sekvenci, ili točnije zvijezdama koje su vrlo slične našem vlastitom suncu. Iako su postupak formiranja i život glavne zvijezde sljedova i zvijezda o kojima ćemo razgovarati prilično slični, postoje važne razlike u načinu na koji zvijezde koje ćemo istraživati umiru. Zvijezde glavnih sekvenci zvijezda su zanimljive, ali se teško uspoređuju s načinima savijanja prostora koji vremenski odstupaju.
Kao što je gore spomenuto, kad smo promatrali davno nestalu zvijezdu koja je ležala u središtu maglice Rakova, postojala je točka u kojoj je ovaj objekt blistao sjajno poput punog mjeseca i mogao se vidjeti tijekom dana. Što bi moglo uzrokovati da nešto postane tako svijetlo da bi bilo usporedivo s našim najbližim nebeskim susjedom? S obzirom na to da je maglica Rakova udaljena 6.523 svjetlosnih godina, to je značilo da je nešto što je otprilike 153 milijarde puta udaljenije od našeg Mjeseca blistalo jednako svijetlo kao i mjesec. To je bilo zato što je zvijezda postala supernova kad je umrla, što je sudbina zvijezda koje su mnogo veće od našeg sunca. Zvijezde veće od našeg sunca završit će u dva vrlo ekstremna stanja nakon njegove smrti: neutronske zvijezde i crne rupe. Obje su vrijedne teme koje bi mogle potrajati tjednima na tečaju astrofizike, ali za nas ćemo danas jednostavno istražiti kako se ta gravitacijska čudovišta tvore i što to znači za nas.
Život zvijezde priča je o bliskom fuziji, sadržanoj u stisku vlastite gravitacijske prisutnosti. To nazivamo hidrostatskom ravnotežom, u kojoj je vanjski tlak elemenata koji se stapaju u jezgri zvijezde jednak tlaku unutarnjeg gravitacije koji se primjenjuje zbog mase zvijezde. U jezgri svih zvijezda vodik se (u početku) topi u helij. Ovaj vodik dolazi iz maglice iz koje se zvijezda rodila, koja se sakupljala i urušavala, pružajući zvijezdi prvu priliku u životu. Kroz život zvijezde, vodik će se trošiti, a sve više i više helijinog „pepela“ kondenziraće se u središtu zvijezde. Na kraju će zvijezdi ponestati vodika, a fuzija će se nakratko zaustaviti. Taj nedostatak vanjskog pritiska, jer se ne dogodi fuzija, privremeno omogućava gravitaciji da pobijedi i ona zdrobi zvijezdu prema dolje. Kako se zvijezda smanjuje, gustoća, a time i temperatura u jezgri zvijezde, raste. Na kraju postigne određenu temperaturu i pepeo helija počinje se topiti. Ovako sve zvijezde prolaze kroz glavni dio svog života i u prve faze svoje smrti. No ovdje su zvijezde veličine sunca i masivne zvijezde, o kojima razgovaramo o dijelovima.
Zvijezda koja je otprilike blizu veličine našeg vlastitog sunca proći će kroz ovaj proces sve dok ne dosegne ugljik. Zvijezde ove veličine jednostavno nisu dovoljno velike da bi stavile ugljik. Dakle, kad se sav helij spoji u kisik i ugljik (kroz dva procesa koja su ovdje previše složena), zvijezda ne može "razbiti" kisik i ugljik dovoljno za početak fuzije, gravitacija pobjeđuje i zvijezda umire. Ali zvijezde koje imaju dovoljno veću masu od našeg sunca (oko 7x mase) mogu nastaviti dalje pored ovih elemenata i dalje blistati. Oni imaju dovoljno mase za nastavak ovog procesa "drobljenja i spajanja" koji je dinamična interakcija u srcima ovih nebeskih peći.
Te veće zvijezde nastavit će svoj proces fuzije prije ugljika i kisika, prošlih silicijuma, sve dok ne dosegnu željezo. Željezo je smrtna nota koju pjevaju ovi blistavi behemoti, a kad željezo počne ispunjavati njihovu sada već umiruću jezgru, zvijezda je u smrtnim bacanjima. Ali ove masivne energetske strukture ne idu tiho u noć. Izlaze na najspektakularnije načine. Kad se posljednji od neželjeznih elemenata spoji u svoje jezgre, zvijezda započinje svoju pristojnost u zaboravu. Zvijezda se srušila na sebe jer nema načina da spreči neumoljivi zahvat gravitacije, rušeći sljedeće slojeve preostalih elemenata tijekom svog životnog vijeka. Taj unutarnji slobodni pad susreće se u određenoj veličini, s nemogućom slomom; pritisak degeneracije neutrona koji prisiljava zvijezdu da se odbija prema van. Ova ogromna količina gravitacijske i kinetičke energije vraća se natrag bijesom koji obasjava svemir, prekrivajući cijele galaksije u trenu. Ta je bijes životna krv kosmosa; bubanj se tuče u simfonijskoj galaktiki, jer ova intenzivna energija omogućuje spajanje elemenata težih od željeza, sve do urana. Ove nove elemente ta nevjerojatna sila otpuhuje prema van jašući valove energije koji ih bacaju duboko u svemir, zasijavajući svemir svim elementima koje znamo.
Ali što je ostalo? Što je tu nakon ovog spektakularnog događaja? Sve opet ovisi o masi zvijezde. Kao što je spomenuto ranije, dva oblika koja mrtva masivna zvijezda uzima su ili Neutron Zvijezda ili Crna Rupa. Za Neutronsku zvijezdu formacija je prilično složena. U osnovi, događaji koje sam opisao događaju se, osim nakon što je ostalo od supernova sve što je preostalo, to je kugla degeneriranih neutrona. Degeneriranje je jednostavno pojam koji primjenjujemo na oblik koji materija poprima kada se komprimira do granica dopuštenih od strane fizike. Nešto što je degenerirano intenzivno je gusto, a to vrijedi za neutronsku zvijezdu. Možda ste čuli da se čajna žličica materijala neutronske zvijezde teži otprilike 10 milijuna tona i da ima brzinu bijega (brzinu potrebnu da se odmakne od gravitacijskog povlačenja) oko 4,4 c ili 40% brzine svjetlosti. Ponekad se neutronska zvijezda vrti vrtoglavim brzinama, a mi ih označavamo pulsarima; ime izvedeno iz načina kako ih otkrivamo.
Te vrste zvijezda stvaraju puno zračenja. Neutronske zvijezde imaju ogromno magnetsko polje. Ovo polje ubrzava elektrone u njihovim zvjezdanim atmosferama do nevjerojatnih brzina. Ti elektroni prate linije magnetskog polja neutronske zvijezde do njezinih polova, gdje mogu ispuštati radio valove, X-zrake i gama zrake (ovisno o vrsti neutronske zvijezde). Budući da se ta energija koncentrira na stupove, ona stvara svojevrsni svjetionički efekt s visokim energetskim snopovima koji djeluju poput snopa svjetlosti iz svjetionika. Kako se zvijezda okreće, ove zrake pomiču se mnogo puta u sekundi. Ako se Zemlja, a samim tim i naša oprema za promatranje, povoljno usmjeri s ovim pulsatom, zabilježit ćemo te „impulse“ energije dok zvijezde zrače nad nama. Za sve pulsre o kojima znamo, puno smo predaleko da bi nas ovi zraci mogli povrijediti. Ali kad bismo bili blizu jedne od tih mrtvih zvijezda, to zračenje neprekidno ispiranjem našeg planeta dovelo bi do određenog izumiranja za život kakav znamo.
Što drugi oblik ima mrtva zvijezda; crna rupa? Kako se to događa? Ako je degenerirani materijal onoliko koliko možemo razbiti materiju, kako se pojavljuje crna rupa? Jednostavno rečeno, crne rupe rezultat su nezamislivo velike zvijezde, a time i doista ogromne količine materije koja je u stanju "slomiti" pritisak degeneracije neutrona nakon urušavanja. Zvijezda u biti pada unutra s takvom silom da prekrši tu naizgled fizičku granicu, okrećući se sebi i omotavajući prostor vrijeme u točku beskonačne gustoće; singularnost. Ovaj nevjerojatan događaj događa se kada neka zvijezda ima otprilike 18x količinu mase koju ima naše sunce, a kada umre, uistinu je oličenje fizike do krajnosti. Taj „dodatni zalogaj mase“ omogućuje mu da sruši ovu kuglu degeneriranih neutrona i padne prema beskonačnosti. Zastrašujuće je i lijepo razmišljati; točka u prostornom vremenu koja naša fizika nije u potpunosti shvaćena, a opet postoji nešto za što znamo. Doista izvanredna stvar u vezi s crnim rupama je da je poput svemira koji djeluje protiv nas. Informacije koje su nam potrebne da bismo potpuno razumjeli procese unutar crne rupe nalaze se iza vela koji nazivamo horizont događaja. Ovo je točka bez povratka za crnu rupu, za koju ništa izvan ove točke u prostornom vremenu nema budućih staza koje vode iz nje. Ništa ne bježi na ovoj udaljenosti od srušene zvijezde u njezinoj jezgri, čak ni svjetlost, i stoga nikakve informacije nikada ne napuštaju ovu granicu (barem ne u obliku koji možemo koristiti). Mračno srce ovog uistinu zadivljujućeg predmeta ostavlja mnogo toga što bi bilo poželjno i tjera nas da pređemo u njegovo kraljevstvo kako bismo pokušali spoznati neznanstveno; uhvatiti plod s stabla znanja.
Sada se mora reći, mnogo je toga na putu istraživanja s crnim rupama do danas. Fizičari poput profesora Stephena Hawkinga, između ostalog, neumorno su radili na teorijskoj fizici koja stoji iza rada crne rupe, pokušavajući riješiti paradokse koji se često pojavljuju kada pokušavamo iskoristiti najbolje što naša fizika djeluje protiv njih. Postoji mnogo članaka i radova o takvim istraživanjima i njihovim kasnijim nalazima, tako da neću zaroniti u njihove sitnice kako oboje žele sačuvati jednostavnost u razumijevanju, tako i ne odvraćati od nevjerojatnih umova koji rade na ovim pitanjima. Mnogi sugeriraju da je singularnost matematička znatiželja koja ne predstavlja potpuno ono što se fizički događa. Da stvar unutar horizonta događaja može poprimiti nove i egzotične oblike. Također je vrijedno napomenuti da se u Općoj relativnosti bilo što s masom može srušiti na crnu rupu, ali općenito se držimo raspona masa jer stvaranje crne rupe bilo čega manje nego što je u tom rasponu masa, izvan je našeg razumijevanja kako to moglo bi se dogoditi. No, kao netko tko proučava fiziku, odbio bih napomenuti da se od sada nalazimo na zanimljivom presjeku ideja koje se vrlo usko bave onim što se zapravo događa unutar ovih spektra gravitacije.
Sve to vraća me natrag na točku koju treba učiniti. Činjenica koju treba prepoznati. Dok sam opisivao smrti ovih masivnih zvijezda, dotaknuo sam se nečega što se događa. Kako se zvijezda razdvaja iz vlastite energije, a njezin se sadržaj izbacuje prema van u svemir, događa se nukleosinteza. Ovo je fuzija elemenata za stvaranje novih elemenata. Od vodika do urana. Ti se novi elementi izbacuju nevjerojatnim brzinama, pa će svi ovi elementi s vremenom pronaći svoj put u molekularnim oblacima. Molekularni oblaci (tamne maglice) su zvjezdane rasadnice kozmosa. Ovdje počinju zvijezde. A od formiranja zvijezda, dobivamo planetarnu formaciju.
Kako se zvijezda formira, oblak krhotina sastavljen od molekularnog oblaka koji je rodio spomenutu zvijezdu počinje se vrtjeti oko nje. Taj oblak, kao što sada znamo, sadrži sve one elemente koji su skuhani u našim supernovama. Ugljik, kisik, silikati, srebro, zlato; svi prisutni u ovom oblaku. Ovaj akrecijski disk o ovoj novoj zvijezdi nalazi se tamo gdje se planeti tvore, koalirajući se iz ovog obogaćenog okoliša. Kuglice od kamena i leda sudaraju se, razdvajaju, rastrgavaju i zatim reformiraju dok gravitacija radi svoje marljive ruke da ove nove svjetove oblikuje u moguće otoke. Ti planeti nastaju iz istih istih elemenata koji su sintetizirani u toj kataklizmičkoj erupciji. Ti novi svjetovi sadrže nacrte za život onakav kakav znamo.
Na jednom od ovih svjetova nastaje određena mješavina vodika i kisika. Unutar ove mješavine formiraju se neki ugljikovi atomi koji stvaraju umnožavajuće lance koji slijede jednostavan obrazac. Možda se nakon milijardi godina, ti isti elementi koje je ta umiruća zvijezda gurnula u svemir daju život za nešto što može podići pogled i uvažiti veličanstvo kozmosa. Možda to nešto ima inteligencije shvatiti da je atom ugljika unutar njega isti atom ugljika koji je stvoren u zvijezdi koja umire i da se dogodila supernova koja je omogućila tom atomu ugljika da se nađe u pravom dijelu svemira u pravo vrijeme. Energija koja je bila posljednji umirući dah mrtve zvijezde bila je ista energija koja je omogućila životu da prvi udahne i pogleda zvijezde. Ti zvjezdani duhovi su naši preci. Oni su otišli u oblik, ali još uvijek ostaju unutar našeg kemijskog pamćenja. Oni postoje u nama. Mi smo supernova. Zvjezdana smo prašina. Potičemo iz zvjezdanih duhova ...
