Kaip gimsta žvaigždės: Visatos gimdymo paslaptys
Žvaigždės - tai didžiuliai, įkaitusios plazmos rutuliai, sudaryti daugiausia iš vandenilio ir helio su nedidele sunkesnių cheminių elementų priemaiša, nuolat žavintys mokslininkus ir astronomus. Šie dangaus kūnai skleidžia elektromagnetines bangas ir elektringąsias daleles, tokias kaip protonai ir elektronai. Žvaigždžių gelmėse vyksta branduolinės reakcijos, kurių metu vandenilis virsta heliu, išlaisvinant milžinišką energijos kiekį. Žvaigždės gimsta molekuliniuose debesyse, dideliuose tankesnės materijos tūriuose, kuriuose dujos įprastai juda gana netvarkingai - tai sudaro sąlygas joms byrėti į gabaliukus, formuojančius pavienes žvaigždes.
Visata susideda iš įvairių komponentų, pagrindiniai yra tamsioji energija, tamsioji materija ir įprasta (dar vadinama barioninė) materija. Jos Visatoje tėra apie 5%, ir net ir jų didžioji dalis tėra „neįdomios“ karštos dujos, randamos galaktikų spiečiuose ar gijose tarp jų. Galaktikose esanti įprasta medžiaga kadaise irgi buvo dujos, tačiau jos atvėso, sutankėjo ir suformavo žvaigždes. Dabartinių mokslininkų teigimu, mūsų Saulė - „pusamžė dama“ - mirs labai tolimoje ateityje, maždaug už 5 mlrd. metų. Iš pradžių atvėsusi išsipūs ir pavirs Raudonąja milžine.
Žvaigždės susidaro ne tik formuojantis galaktikoms - jos įsižiebia netgi mūsų laikais. Šis procesas prasideda tarpžvaigždinėje erdvėje, kur didžiuliai molekulinių dujų debesys, daugiausia sudaryti iš vandenilio, pradeda trauktis veikiant gravitacijos jėgoms. Šis procesas neatsiejamas nuo dujų vėsimo. Dujų debesis, patekęs į sutankėjimą - viją - sulėtėja. Todėl susidaro dujų sangrūda, tarsi eismo kamštis, kur dujų tankis tampa aukštesnis. Tankesnės dujos sparčiau vėsta, todėl sparčiau formuoja žvaigždes; didesnis jų tankis taip pat reiškia didesnę masę, kuri stabdo naujas ten patenkančias dujas. Dujų vėsimas yra labai svarbus, nes jis leidžia energijai greitai palikti debesį, todėl jis gali fragmentuotis į mažesnius fragmentus. Ši fragmentacija lemia tankesnių telkinių susidarymą, kurie galiausiai taps žvaigždėmis.
Žvaigždžių formavimosi procesas
Žvaigždžių formavimasis prasideda molekuliniuose debesyse - didžiuliuose šaltų dujų, daugiausia vandenilio, telkiniuose. Šie debesys, esantys žemoje temperatūroje, leidžia dujoms susitraukti veikiant gravitacijai. Kai molekulinis debesis traukiasi, jis skyla į mažesnius fragmentus. Šiuose fragmentuose gravitacijos jėga tampa stipresnė už vidinį spaudimą, todėl jie toliau traukiasi. Kai fragmentai traukiasi, jų tankis ir temperatūra didėja. Galiausiai, kai temperatūra fragmentuose ima augti, susitraukimas sustoja, ir susiformuoja prožvaigždė.
Susitraukus molekulinio debesies fragmentams, susidaro prožvaigždės. Prožvaigždės yra ankstyvosios žvaigždžių formos, kuriose dar nevyksta branduolinė sintezė. Protoplanetiniai diskai yra žvaigždėdaros vietos. Jie sudaryti iš likusios medžiagos iš molekulinio debesies, kuris suformavo prožvaigždę. Ši medžiaga sukasi aplink prožvaigždę ir galiausiai gali susijungti, kad susidarytų planetos.
Kai prožvaigždės šerdis pasiekia kritinę temperatūrą ir tankį, prasideda branduolinė sintezė. Branduolinė sintezė yra procesas, kurio metu atomai susilieja, kad susidarytų sunkesni atomai, išlaisvinant didžiulį energijos kiekį. Žvaigždžių atveju vandenilio atomai susijungia, kad susidarytų helis, išlaisvinant energiją, kuri verčia žvaigždę šviesti. Branduolinei sintezei prasidėjus, prožvaigždė gimsta kaip tikra žvaigždė. Branduolinės reakcijos, kurių metu vandenilis virsta heliu ir išsiskiria milžiniška energija, vyksta žvaigždės gelmėse. Žvaigždės spinduliuotė ir vėjas išsklaido likusias dujas ir dulkes aplink žvaigždę, atskleisdami naujai susiformavusią žvaigždę.
Mūsų Saulės dydžiui prilygstančiai žvaigždei subręsti prireiktų apie 50 milijonų metų nuo gimimo. Mokslininkų spėjimais, mūsų Saulė „suaugusio asmens“ būsenoje išliks net 10 milijardų metų! Įsivaizduojame, kad mūsų dienos šviesa (Saulė) sveria apie 100 tonų ir paviršiaus temperatūra siekia apie 10 tūkstančių Kelvinų. Kuo didesnė žvaigždė, tuo jos gelmėse aukštesnė temperatūra ir sparčiau „dega“ vandenilis. Todėl tokia žvaigždė trumpiau ir gyvens. Bet pačios didžiausios, pralenkiančios mūsų Saulę, gyvena milijardus metų.
Žvaigždžių mirtis ir evoliucija
Žvaigždės gimsta, gyvena ir miršta. Tiesa, „gimimas“ yra nelabai dažnai naudojama metafora, dažniau naudojami fizikiškai tikslesni terminai „formuojasi“ ir „įsižiebia“. Šie terminai apibūdina truputį skirtingus procesus: žvaigždės formavimasis yra ilgas procesas, prasidedantis maždaug tada, kai molekulinio debesies fragmentas nustoja byrėti į vis mažesnius ir ima trauktis bei kaisti, o pasibaigiantis žvaigždei pasiekus pagrindinę seką. Pastarasis įvykis nutinka šiek tiek po įsižiebimo - termobranduolinių reakcijų žvaigždės branduolyje pradžios. Mat besiformuojanti žvaigždė - vadinama prožvaigžde - gauna energijos iš to, kad traukiasi ir tampa vis labiau gravitaciškai surišta. Prasidėjus termobranduolinėms reakcijoms, kurį laiką traukimasis dar tęsiasi ir energijos žvaigždė vis dar gauna ir iš gravitacinio susietumo stiprėjimo. Bet termobranduolinės reakcijos netrukus stabilizuoja žvaigždę ir tampa praktiškai vieninteliu energijos generavimo procesu.
Žvaigždžių gyvenimas ir mirtis - tikrai normalūs ir įprasti moksliniai terminai. Negaliu tiksliai pasakyti, kodėl jie naudojami. Neabejoju, kad tai bent dalinai susiję su anglų kalbos dominavimu mokslo pasaulyje: anglai „life/live“ ir „death/die“ naudoja ir gyviems, ir negyviems objektams, kurie gali kažką daryti (pvz. „my car engine died this morning“; „this is a live wire“), todėl ir žvaigždėms tuos pačius žodžius taikyti yra natūralu. Dar viena priežastis - tam tikra analogija su gyvu organizmu: žvaigždės jaunystėje, viduriniame amžiuje ir senatvėje (beje, irgi normalūs astronominiai terminai, tik jau jokios ne metaforos) turi skirtingas savybes, skiriasi ir jų aplinka bei kai kurie jose ar aplink jas vykstantys procesai.
Žvaigždžių mirtys - sudėtingas procesas, kuris gali būti labai įvairus: priklausomai nuo žvaigždės masės ir sunkesnių už helį cheminių elementų kiekio, žvaigždė gali sąlyginai ramiai užgesti, nusimesti išorinius sluoksnius, sprogti supernova ar gama spindulių žybsniu, arba kolapsuoti tiesiai į juodąją skylę. Kitokio žodžio nei „mirtis“, apjungiančio visus šiuos atvejus, nežinau. Atskiriems atvejams galima naudoti ir tikslesnius terminus, taip pat tiksliau galima apibūdinti žvaigždės gyvenimo pabaigos etapus, pvz. išsiplėtimą į milžinę, pulsacijas ir panašius reiškinius, vykstančius prieš pat mirtį. Bet viską apibendrinti geriausiai tinka „mirties“ metafora.
Taip pat sakome, kad žvaigždės evoliucionuoja. Ši metafora yra ganėtinai neteisinga, jei lyginsime ją su biologine evoliucija. Sakydami „žvaigždžių evoliucija“, turime omeny ne skirtumus tarp žvaigždžių kartų - nors tokie irgi egzistuoja - bet pavienių žvaigždžių pokyčius joms senstant. Artimesnė metafora būtų „metamorfozė“, nes kai kurie žvaigždėse vykstantys procesai yra tikrai greiti ir radikalūs, palyginus su jų gyvenimo trukme. Pavyzdžiui, vėlyvosios žvaigždžių gyvenimo fazės trunka kiekviena vis trumpiau. Saulė, praleidusi beveik 10 milijardų metų pagrindinėje sekoje, maždaug milijardui metų taps raudonąja milžine, vėliau seks helio degimo etapas (100 mln. metų), asimptotinės milžinės fazė (<1 mln. metų) ir pavirtimas baltąja nykštuke (dar trumpiau).
Žvaigždžių jaunystėje irgi būna rimtų pokyčių - pavyzdžiui, protoplanetinis diskas išsisklaido per <30 milijonų metų, o tai yra visai nedaug, palyginus su galima dešimties milijardų metų gyvenimo trukme. Tad kai kurie pokyčiai panašesni į metamorfozę negu į tiesiog senėjimą, bet visgi terminologijoje įsitvirtinęs žodis „evoliucija“.
Jei žvaigždės masė yra mažesnė nei 8 Saulių masė, ji mirs ramiai. Tiek vandenilio virtimo heliu, tiek helio virtimo anglimi reakcijų sluoksniai artėja prie paviršiaus. Kai prie paviršiaus labai priartėja helio degimo reakcijos, jos ima daryti įtaką žvaigždės paviršiui ir ši nusimeta viršutinius sluoksnius planetiškojo ūko pavidalu. Neišsisklaido tik labai karšta šerdis, ši žvaigždės liekana vadinama baltąja nykštuke.
Jei žvaigždės masė didesnė, negu 8 Saulių masė, savo gyvenimą ji baigs dramatiškai. Žvaigždės šerdyje susidariusi geležis - ypatingas elementas, ji žvaigždės sąlygomis nebeperdirbama į nieką kitą. Geležinė šerdis nebegamina energijos, nebespinduliuoja ir todėl negali atlaikyti virš jo slūgsančių sluoksnių slėgio. Medžiaga žvaigždės centre sutankėja tiek, kad elektronai įspaudžiami į atomų branduolius, kur atsidūrę kartu su protonais jungiasi į neutronus. Žvaigždės šerdis per kelias sekundes virsta neutronų telkiniu - būsima neutronine žvaigžde. Kolapso metu išsiskyrusi energija bei išspinduliuotų neutrinų lavina nubloškia žvaigždės apvalkalą net 20 000 km/s greičiu. Susprogusios žvaigždės spindesys padidėja apie 20 ryškių, ji kurį laiką spinduliuoja kaip visa galaktika. Supernovos sprogimas - palyginti retas reiškinys. Žinoma tik 9 per pastaruosius 2000 metų Galaktikoje sprogusios supernovos.
Po supernovos sprogimo lieka maždaug 3 Saulių masės buvusios žvaigždės liekana - neutroninė žvaigždė, dar kitaip vadinama pulsaru. Sukdamiesi pulsarai spinduliuoja šviesos ir radijo bangų pluoštus. Jei po supernovos sprogimo likusi liekana yra didesnė negu 3 Saulių masė, žvaigždė ir toliau traukiasi. Pabėgimo greitis iš tokio kūno yra didesnis už šviesos greitį, todėl iš jo gravitacijos lauko negali ištrūkti nei medžiaga, nei elektromagnetinės bangos, t. y. šviesa. Juodoji bedugnė yra nematoma, bet mokslininkai ją gali susekti pagal poveikį gretimoms žvaigždėms.
Dulkės ir šiukšlės, kurias paliko novos ir supernovos, ilgainiui susimaišo su aplinkinėmis tarpžvaigždinėmis dujomis ir dulkėmis, praturtindamos jas sunkiųjų elementų bei cheminių junginių, susidarančių per žvaigždžių mirtį. Galų gale šios medžiagos yra „perdirbamos“, sukuriant naujos kartos žvaigždžių ir lydinčių planetų sistemų pamatus. Taip prieš 4,57 mlrd. metų gimė mūsų Saulės sistema.
Brian Cox apie žvaigždžių gyvavimo ciklą
Žvaigždžių klasifikacija ir įvairovė
Žvaigždės skirstomos pagal jų stebimas savybes, pvz., pagal šviesį (šviesio klasę - supermilžinės, milžinės, nykštukės), efektinę temperatūrą, spektro linijas jų spektre (spektrinę klasę), cheminę sudėtį, arba pagal jų raidos etapus (pagrindinės sekos, raudonųjų milžinių sekos, horizontaliosios sekos žvaigždės ir kitos; Hertzsprungo ir Russello diagrama). Tam tikrų bendrų požymių turinčios žvaigždės sudaro grupes - žvaigždžių asociacijas, žvaigždžių populiacijas, žvaigždžių sistemas. Daugeliui žvaigždžių būdingas spindesio kitimas (kintamosios žvaigždės). Pagal regimąją padėtį tam tikrame dangaus sferos plote žvaigždės grupuojamos į žvaigždynus.
Saulė - tipiška G spektrinės klasės žvaigždė. Artimiausia Žemei žvaigždė po Saulės yra Proxima Centauri, nutolusi per 40 trilijonų kilometrų. Šviesa iš Proxima Centauri Žemę pasiekia per 4,2 metų. Daugelio žvaigždžių amžius - nuo 1 iki 10 milijardų metų. Kai kurių žvaigždžių amžius siekia 13,799 (± 0,021) milijardus metų, t. y. numanomą Visatos amžių.
Mažosios žvaigždės (vadinamosios raudonosios nykštukės) savo kurą degina labai lėtai ir gyvuoja šimtus milijardų metų (žymiai ilgesnį laiką nei yra praėjęs nuo Visatos susidarymo). Vidutinių dydžių žvaigždės tampa Baltosiomis Nykštukėmis. Šių žvaigždžių išorinių sluoksnių „išstūmimo“ - naikinimo procesas vystosi iki visiško šerdies atvėrimo. Nors šerdis yra negyva, bet jų labai karštas „pelenas“ ir yra vadinamas Baltąja Nykštuke. Jos prilygsta mūsų Žemės dydžiui, jose laikosi visa jos masė.
Jeigu dvejetainėje ar didesnėje žvaigždžių sistemoje susiformavusi Baltoji Nykštukė, ji gali virsti Nova. „Nova“ iš lotynų kalbos išvertus reiškia mums paprastą žodį - „nauja“. Iš tiesų, pavadinimas atrodo sudėtingas, o reikšmė tokia paprasta! Senovėje taip ir buvo manyta, kad tai yra naujos susidariusios žvaigždės. Šių dienų mokslininkai aiškina šį terminą kaip labai senos žvaigždės.
Jeigu pagrindinės sekos žvaigždė viršys aštuonias Saulės mases, jos mirtis bus supergalingas sprogimas. Toks žvaigždės evoliucijos galas vadinamas Supernova. Pati Supernova yra tik didesnė Nova. Novos „mirties“ laiku sprogsta tik išorinis sluoksnis, o Supernovos - visa jos sandara, įskaitant šerdį.
Neutroninė žvaigždė - labai mažų žvaigždžių tipas bei viena iš paskutiniųjų evoliucijos stadijų. Matmenimis ji siekia kelias dešimtis kilometrų, o masė tarp 1,4 iki 3 Saulės masių. Jeigu Supernovos centre yra nuo 1,4 iki 3 Saulės masių, jos nykimas tęsiasi tol, kol elektronai ir protonai susijungia, sudaro neutronus ir taip sukuria neutroninę žvaigždę, kuri yra nepaprastai tanki, netgi panaši į atominio branduolio tankį. Visa mums įprasta materijos medžiaginė įvairovė pranyksta, virsta vienarūše subatomine dalele. Kadangi joje slypinti didžiulė masė yra „supakuota“ į tokį mažą tūrį, todėl jos paviršiaus trauka, t.y. gravitacija, yra didžiulė.
Pulsarai apibūdinami kaip periodiškai kintančių šviesos, gama ir rentgeno spindulių šaltinis kosmoso platybėse. Periodas kinta palygintinai greitai, nuo 1,4 milisekundės iki 8,5 sekundžių. Yra net ir tokių Pulsarų, jog šių pulsavimas prilygsta atominiam laikrodžiui. Pavadinimas kilęs iš dviejų žodžių „pulsuojanti žvaigždė“. Deja, Pulsarų šiuo momentu yra žinoma tik vienas tūkstantis.
O Magnetaras nuo pulsaro skiriasi ypač stipriu magnetiniu lauku ir ypatingu elektromagnetiniu spinduliavimu, tiek Gama, tiek Rentgeno srityse. Magnetarais tampa tik už mūsų Saulę masyvesnės žvaigždės. Jo magnetinis laukas stipriai veikia ją pačią ir ant jos krentančios medžiagos plazmą. Magnetarai yra žinomi tik du.
Astronomai metaforas naudoja dėl dviejų priežasčių - kad geriau paaiškintų konceptus plačiajai visuomenei ir kad geriau suprastų juos patys. Kaip ir bet kurioje kitoje srityje, sudėtingų dalykų aiškinimas naudojant palyginimus iš kasdienio gyvenimo yra labai naudingas pristatant/populiarinant atradimus. Bet astronomai ir patys yra žmonės, ir - surprise surprise - mes ir mąstome daugiau ar mažiau kaip kiti žmonės. Taip, mums milijonas metų gali atrodyti „trumpas laiko tarpas“, o milijardas tonų - „labai maža masė“. Bet tai nereiškia, kad mes galime apie procesus galvoti be jokių konceptualių metaforų, kurios padeda susidaryti vaizdą apie tai, kas vyksta, ir susikalbėti tarpusavyje.
tags: #kaip #gime #zvaigzde #persisiusti
Projektai
Steigėjas
Informacinis rėmėjas
