Szacuje się, że w obserwowalnym Wszechświecie liczba gwiazd wynosi około 10 do potęgi 24. Choć jest ich tak wiele, wszystkie są do siebie bliźniaczo podobne – mają taki sam skład i działają w ten sam sposób, różnią się zaś głównie masą. Nie jesteśmy w stanie zaobserwować ich wszystkich, możemy jedynie szacować ich liczbę na podstawie szacunków ilości galaktyk. Innymi słowy – wiemy, że nic nie wiemy. Niemniej, nawet to, co wiemy, potrafi być zaskakujące.
11 sierpnia tego roku w kierunku Słońca wysłana zostanie sonda Solar Parker Probe. To nowe przedsięwzięcie NASA obejmuje misję pojazdu, który ma przeprowadzić badania naszej gwiazdy bezpośrednio wewnątrz jej korony słonecznej; sonda będzie wystawiona na działanie temperatury do nawet 1500 stopni Celsjusza. Wszystko po to, by jak najwięcej dowiedzieć się o naszej domowej gwieździe, ale nie tylko. Zebrana wiedza z pewnością zostanie wykorzystana także podczas badania innych gwiazd i, być może, uzupełni różnorakie modele symulacyjne.
Z wodoru i helu powstałeś
Gdy patrzymy w niebo, widzimy obraz przeszłości. Im dalej od nas znajduje się jakiś obiekt, tym młodszy jego obraz obserwujemy. W ten sposób udało nam się zaobserwować galaktykę GN-Z11, która powstała, gdy Wszechświat miał zaledwie 400 milionów lat, 3% obecnego wieku. I choć pierwsze gwiazdy zapłonęły eony temu, to sposób ich powstawania wyglądał tak samo, jak w przypadku gwiazd powstających w naszych czasach. Ogromne obłoki zimnego wodoru i helu zapadały się pod wpływem własnej grawitacji, by po pewnym czasie utworzyć monstrualne kule wodoru. Gdy nabierały masy, w ich wnętrzach zaczęła zachodzić reakcja termojądrowa. Gwiazda, jeśli była wystarczająco masywna, wchodziła w „dorosłe życie”, podczas którego panowała równowaga ciśnień. Siła własnej grawitacji równoważyła monstrualną energię produkowaną w procesie fuzji. Gdyby nie ona, materia zapadałaby się w nieskończoność.
Tymczasem gwiazdy świecą. O ogromnych energiach, jakie ścierają się we wnętrzu gwiazdy, świadczyć może prosty fakt – foton, który został wyprodukowany w reakcji fuzji, może potrzebować nawet stu tysięcy lat, by wydostać się na zewnątrz gwiazdy. Gwiazda, gdy powstaje, składa się mniej więcej z ¾ wodoru i ¼ helu. W miarę upływu czasu, za sprawą fuzji jądrowej, coraz więcej wodoru zamieniane jest na hel, a także na inne, cięższe pierwiastki. Nasze własne Słońce aktualnie składa się z 70% wodoru i 29% helu, a także 1% kolejnych pierwiastków. To, do jakiego pierwiastka dojdzie fuzja, zależy od masy gwiazdy. Najcięższe z nich są w stanie „wyprodukować” nawet żelazo, natomiast jest ono ostateczną granicą. Wszystkie cięższe pierwiastki są efektem wybuchów supernowych i innych podobnych im wydarzeń. To, że na Ziemi istnieje złoto, świadczy tylko o tym, że nasza planeta powstała z pozostałości gwiazd, które już przeminęły. Ba! To, że wapń istnieje w naszych kościach, oznacza tyle, że Układ Słoneczny uformował się z mgławicy, która zawierała pozostałości supernowych.
Karły i olbrzymy
Wspomniałem we wstępie, że gwiazdy różnią się głównie masą. Najmniejsze z nich mają zaledwie 7.5% masy naszego Słońca, natomiast jest to dolna granica. Poniżej tej masy ciśnienie grawitacyjne jest zbyt małe, by mogła rozpocząć się reakcja fuzji jądrowej. Takie nieudane gwiazdy nazywamy brązowymi karłami. Można spytać – skoro reakcja w ogóle nie zaszła, dlaczego nazywane są gwiazdami, a nie po prostu planetami? Cóż, rozmiarami wciąż są większe, od jakichkolwiek planet, więc by wprowadzić rozróżnienie, nazwano je właśnie brązowymi karłami.
Gwiazdy o masie pomiędzy 7.5% a 50% masy Słońca nazywane są czerwonymi karłami – jest ich zdecydowanie najwięcej i na zawsze pozostanie ich zdecydowanie najwięcej. Im większa masa, tym większa gwałtowność reakcji fuzji, co bezpośrednio prowadzi do wypalania się gwiazdy. Największe i najmasywniejsze spośród gwiazd to niebieskie olbrzymy. By dobrze ukazać kontrast, spójrzmy na ich temperatury powierzchni; czerwone karły mają temperaturę poniżej 3500 Kelwinów, gwiazdy pokroju naszego Słońca mają średnio 6000 Kelwinów, zaś w przypadku niebieskich olbrzymów jest to ponad 12000 Kelwinów. Ogromne różnice wynikające tylko i wyłącznie z masy.
Od reguły powiązania masy z rozmiarem jest kilka wyjątków – jednym z nich są czerwone olbrzymy. Są to stosunkowo niewielkie (jak nasze Słońce) gwiazdy, które w końcowej fazie istnienia zwiększają swój promień nawet kilkaset razy, przy czym ich masa pozostaje taka sama. Takim olbrzymem zostanie kiedyś nasza domowa gwiazda; naukowcy szacują, że za około 5-6 miliardów lat promień Słońca dosięgnie orbity Ziemi, a więc zwiększy się 200 razy. Później, kiedy zewnętrzne warstwy zostaną odrzucone, w centrum pozostanie zdegenerowane jądro niegdysiejszej gwiazdy, czyli biały karzeł. Gdyby masa Słońca była znacznie większa, faza nadolbrzyma zakończyłaby się jednym z najefektywniejszych zjawisk w przyrodzie – supernową.
W cięższe pierwiastki się obrócisz
Z tego, co już udało nam się dowiedzieć, wynika jedno – nic bardziej złożonego, niż podstawowe pierwiastki, nie istniałoby, gdyby nie gwiazdy. Jednakże, nie będą one istniały wiecznie, choć dla nas takie mogą się wydawać. Ponownie na arenę wkracza masa – najbardziej masywne gwiazdy żyją zaledwie kilka milionów lat, natomiast pozostałości mniejszych gwiazd, białe karły, będą istniały tak długo, że pozostaną ostatnimi źródłami energii we Wszechświecie. Pierwszy biały karzeł, który powstał, będzie istniał jeszcze długo po tym, jak wszystkie inne gwiazdy zgasną. Bo biały karzeł, choć jest pozostałością gwiazdy, sam również produkuje jeszcze energię. W niewielkich ilościach, ale za to bardzo stabilnie. Można nawet przewidywać, że jeśli, jakimś cudem, ludzkość będzie istniała za miliardy miliardów (tak w przybliżeniu) lat, to białe karły będą dla nas ostatnią szansą na przedłużenie życia. Jednakże, kiedy wreszcie i one zgasną, zniknie ostatnie źródło energii i światła, a kosmos pogrąży się w wiecznym mroku.
Taka myśl wywołuje dziwny niepokój, prawda? Spokojnie, wydarzenia te są tak odległe, że dla nas równie dobrze mogłyby w ogóle nie istnieć. Znacznie bliższe nam i naszemu otoczeniu są historie gwiazd znacznie większych. Pewnie zdarzyło Wam się oglądać zdjęcia różnych efektownych mgławic – część z nich to pozostałości gwiazd, pozostałości supernowych. Jedną z najsłynniejszych jest Mgławica Kraba, pozostałość po gwieździe, która wybuchła niecałe tysiąc lat temu. Co ciekawe, wybuch został zarejestrowany przez kroniki cywilizacji w różnych częściach świata; był tak jasny, że widać go było nawet w dzień. Po wielu latach studiowania i porównywania zapisów z obserwacjami udało się potwierdzić, że mgławica, którą znamy, to dokładnie ta sama mgławica, którą tysiąc lat temu opisywali Arabowie oraz Chińczycy.
Nie taka gwiazda oczywista, jak ją malują
Co, gdybym Wam powiedział, że każda gwiazda jest idealnie czarna? Niektórzy pewnie popukaliby się w czoło, ale wybaczcie, tak właśnie jest. Określenie „idealnie czarny” oznacza ni mniej, nic więcej, tylko absolutny brak odbijania promieniowania elektromagnetycznego. Gdyby gwiazdy nie tylko emitowały własne światło, ale również odbijały światło innych gwiazd, obserwacje byłyby bardzo, ale to bardzo utrudnione. To może coś innego – jak myślicie, gwiazdy migotają, czy nie? Gdy nocą patrzymy w niebo, część z nich zauważalnie zmienia swoją jasność. Cóż, jest to tylko i wyłącznie efekt przechodzenia promieni przez różne warstwy ziemskiej atmosfery; gwiazdy świecą stabilnie jak mało która żarówka. Inna kwestia, że to, co widać na nocnym niebie, to zazwyczaj nie są pojedyncze gwiazdy. Okazuje się, że najczęściej występują one w układach podwójnych, ale zdarzają się także układy trzech, a nawet czterech gwiazd. Wschód słońc na Tatooine wygląda przy tym dość biednie. Mało tego – część ze świetlistych punkcików, które widać w nocy, to całe galaktyki; znajdują się po prostu tak daleko, że dla nieuzbrojonego oka wyglądają na typową, niewielką gwiazdę.
Astronomom udało się zaobserwować sporo nadzwyczajnie ciekawych gwiazd. Jedna z nich jest Eta Carinae, która, gwoli ścisłości, jest układem podwójnym, w którym jednak główne skrzypce gra ponad 100 razy masywniejszy od Słońca niebieski olbrzym. Gwiazda znajduje się w końcowym stadium ewolucji, a wybuch supernowej może wydarzyć się nawet w tej chwili. W 1841 roku, gdy Eta Carinae przechodziła jedno z maksimów jasności, zaobserwowano wybuch, który w efekcie dał nam dwa obserwowalne teraz obłoki pyłu i gazu, każdy setki razy większy od Układu Słonecznego. Kolejny taki wybuch może być ostatnim; niebieski olbrzym jest na tyle masywny, że prawie na pewno utworzy gwiazdę neutronową, a może nawet czarną dziurę. Jasność samej eksplozji powinna dorównać jasności Księżyca i przyznam szczerze, że zazdroszczę tym, którzy będą to oglądać.
Z kolei największą zaobserwowaną gwiazdą (czy też, gwoli ścisłości, ponownie układem podwójnym gwiazd) jest VV Cefei znajdująca się około 5000 lat świetlnych od Ziemi. Gdyby ten czerwony nadolbrzym, jedna z gwiazd układu podwójnego, znalazł się na miejscu Słońca, to jego promień sięgałby niemal Saturna, a więc byłby ponad tysiąc razy większy, niż promień naszej gwiazdy domowej. Jeśli jesteście żądni wiedzy o innych tego typu gwiazdowych rekordzistach, to na Wikipedii znajduje się bardzo ciekawa lista.
By wiedzieć więcej
Z roku na rok wiemy o gwiazdach coraz więcej, a każda kolejna obserwacja dokłada cegiełkę do ogólnego obrazu tych fascynujących i jednocześnie powszechnych obiektów. Za siedem lat wspomniana sonda Solar Parker Probe, po serii asyst grawitacyjnych, przeleci przez koronę naszego Słońca. Niebawem pracę rozpocznie Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, czyli następca zasłużonego dla nauki Teleskopu Hubble’a. Z ich pomocą powinniśmy dowiedzieć się kolejnych fascynujących rzeczy. I kto wie, być może gwiazdy jeszcze nas czymś zaskoczą. Do następnego!
źródła: forbes, universetoday, kurzgesagt, wiki, wiki / zdjęcie tytułowe z Wikipedii
_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.
