Există ceva despre ei care ne intrigă pe toți. Multe religii ale umanității pot fi legate de închinarea la aceste lumânări cerești. Pentru egipteni, soarele era reprezentativ pentru Dumnezeul Ra, care în fiecare zi învingea noaptea și aducea lumină și căldură în țări. Pentru greci, Apollo a condus carul său în flăcări pe cer, luminând lumea. Chiar și în creștinism, despre Isus se poate spune că este reprezentativ pentru soare, având în vedere caracteristicile izbitoare pe care povestea lui o deține cu credințe și figuri astrologice antice. De fapt, multe dintre credințele străvechi urmează o cale similară, toate legându-și originile de cea a închinării la soare și la stele.
Umanitatea a prosperat de stelele pe cerul nopții, deoarece au recunoscut o corelație în modelul în care anumite formațiuni stelare (cunoscute sub numele de constelații) au reprezentat perioade specifice din ciclul anual. Una dintre ele însemna că în curând avea să se încălzească, ceea ce a dus la plantarea mâncării. Celelalte constelații au prezis venirea unui
perioada mai rece, astfel încât ai putut începe să depozitezi mâncare și să aduni lemne de foc. Avansând în călătoria umanității, stelele au devenit apoi o modalitate de a naviga. Navigarea pe stele a fost modalitatea de a ne ocoli și ne datăm explorarea timpurie înțelegerilor noastre despre constelații. Timp de mulți din zecile de mii de ani în care ochii umani au privit în sus spre ceruri, abia de curând am început să înțelegem care sunt stelele de fapt, de unde provin și cum au trăit și au murit. Este ceea ce vom discuta în acest articol. Vino cu mine în timp ce ne aventurăm adânc în cosmos și fizica martorilor scrie în mare, în timp ce acopăr cum se naște, trăiește și în cele din urmă o stea.
Ne începem călătoria călătorind în univers în căutarea a ceva special. Căutăm o structură unică în care să fie prezente atât circumstanțele corecte, cât și ingredientele. Căutăm ceea ce astronomul numește o nebuloasă întunecată. Sunt sigur că ați mai auzit de nebuloase înainte și nu le-am văzut fără îndoială. Multe dintre imaginile uimitoare pe care le-a obținut Telescopul spațial Hubble sunt de nori frumoși de gaz, strălucind în fundalul a miliarde de stele. Culorile lor variază de la roșii adânci, până la albastru vibrant și chiar unele verzi înnebunite. Acesta nu este tipul de nebuloză pe care îl căutăm. Nebuloasa de care avem nevoie este întunecată, opacă și foarte, foarte rece.
Poate vă întrebați „De ce căutăm ceva întunecat și rece atunci când stelele sunt luminoase și fierbinți?”
Într-adevăr, acesta este ceva care ar părea nedumerit la început. De ce trebuie să fie ceva mai întâi rece înainte de a deveni extrem de cald? În primul rând, trebuie să acoperim ceva elementar despre ceea ce numim mijlocul interstelar (ISM) sau spațiul dintre stele. Spațiul nu este gol, așa cum ar spune numele său. Spațiul conține gaz și praf. Gazul la care ne referim în principal este hidrogenul, elementul cel mai abundent din univers. Deoarece universul nu este uniform (aceeași densitate de gaz și praf peste fiecare metru cub), există buzunare de spațiu care conțin mai mult gaz și praf decât altele. Acest lucru face ca gravitația să manipuleze aceste buzunare să se alăture și să formeze ceea ce vedem ca nebuloase. Multe lucruri intră în confecționarea acestor nebuloase diferite, dar cea pe care o căutăm, o Nebuloasă întunecată, posedă proprietăți foarte speciale. Acum, hai să ne cufundăm într-una dintre aceste nebuloase întunecate și să vedem ce se întâmplă.
Pe măsură ce coborâm prin straturile exterioare ale acestei nebuloase, observăm că temperatura gazului și a prafului este foarte scăzută. În unele nebuloase, temperaturile sunt foarte calde. Cu cât se ridică mai multe particule între ele, încântate de absorbția și emisia radiațiilor exterioare și interioare, înseamnă temperaturi mai ridicate. Dar în această nebuloasă întunecată, se întâmplă contrariul. Temperaturile scad cu atât mai mult în norul pe care îl obținem. Motivul pentru care aceste nebuloase întunecate au proprietăți specifice care funcționează pentru a crea o pepinieră stelară grozavă, trebuie să se ocupe de proprietățile de bază ale nebuloasei și de tipul de regiune în care există norul, care are asociate concepte dificile pe care nu le voi ilustra pe deplin. aici. Acestea includ regiunea în care se formează norii moleculari, care se numesc Regiuni neutre de hidrogen, iar proprietățile acestor regiuni trebuie să se ocupe de valorile de spin ale electronilor, împreună cu interacțiunile de câmp magnetic care afectează respectivii electroni. Trăsăturile pe care le voi acoperi sunt ceea ce permite ca această nebuloasă anume să fie coaptă pentru formarea stelelor.
Excluzând știința complexă din spatele a ceea ce ajută la formarea acestor nebuloase, putem începe să abordăm prima întrebare de ce trebuie să ne facem mai frig ca să fim mai fierbinți. Răspunsul coboară la gravitație. Când particulele sunt încălzite sau excitate, acestea se mișcă mai repede. Un nor cu suficientă energie va conține un impuls prea mare între fiecare dintre particulele de praf și gaz pentru ca orice tip de formațiuni să apară. Ca și în cazul în care boabele de praf și atomii de gaz se mișcă prea repede, pur și simplu se vor sări unul de celălalt sau se vor împușca unii pe alții, nu vor realiza niciodată niciun tip de legătură. Fără această interacțiune, nu puteți avea niciodată o stea. Cu toate acestea, dacă temperaturile sunt destul de reci, particulele de gaz și praf se mișcă atât de lent încât gravitatea lor reciprocă le va permite să înceapă să „se lipească” între ele. Acest proces este cel care permite formarea unui protostar.
În general, ceea ce furnizează energie pentru a permite mișcarea mai rapidă a particulelor din acești nori moleculari este radiația. Desigur, există radiații care provin din toate direcțiile în orice moment în univers. Așa cum vedem cu alte nebuloase, ele strălucesc de energie și stelele nu se nasc în mijlocul acestor nori de gaz fierbinte. Sunt încălzite prin radiații externe provenite de la alte stele și din căldura proprie internă. Cum împiedică această nebuloasă întunecată radiațiile externe să încălzească gazul din nor și să-l determine să se miște prea repede pentru ca gravitația să-și pună mâna? Aici e locul
intră în joc natura opacă a acestor nebuloase întunecate. Opacitatea este măsura câtă lumină este capabilă să se deplaseze printr-un obiect. Cu cât este mai mult material în obiect sau mai gros este obiectul, cu atât mai puțin lumină este capabilă să-l pătrundă. Lumina cu frecvență mai mare (raze Gamma, raze X și UV) și chiar frecvențele vizibile sunt afectate mai mult de buzunare groase de gaz și praf. Doar tipurile de lumină cu frecvență mai mică, inclusiv infraroșu, microunde și undele radio, au vreun succes în pătrunderea norilor de gaz ca acestea, și chiar este oarecum împrăștiat, astfel încât, în general, acestea nu conțin aproape suficientă energie pentru a începe să perturbe acest precar. procesul de formare a stelelor. Astfel, porțiunile interioare ale norilor de gaze întunecate sunt „protejate” în mod efectiv de radiațiile exterioare care perturbă alte nebuloase mai puțin opace. Cu cât este mai mică radiația care o face în nor, cu atât temperaturile gazului și prafului sunt mai mici. Temperaturile mai reci înseamnă o mai mică mișcare a particulelor în nor, ceea ce este esențial pentru ceea ce vom discuta în continuare.
Într-adevăr, pe măsură ce coborâm spre miezul acestui nor molecular întunecat, observăm că lumina din ce în ce mai puțin vizibilă ajunge la ochii noștri, și cu filtre speciale, putem vedea că acest lucru este valabil și pentru alte frecvențe de lumină. Drept urmare, temperatura norului este foarte scăzută. Este demn de remarcat faptul că procesul de formare a stelelor durează foarte mult timp, iar în interesul de a nu te menține citind timp de sute de mii de ani, acum vom trece repede înainte. În câteva mii de ani, gravitația a extras o cantitate corectă de gaz și praf din norul molecular din jur, ceea ce a făcut-o să se strângă. Particule de praf și gaz, încă protejate de radiațiile exterioare, sunt libere să se adune în mod natural și să se „lipească” la aceste temperaturi scăzute. În cele din urmă, ceva interesant începe să se întâmple. Gravitatea reciprocă a acestei bile de gaz și praf în continuă creștere începe un efect de bulă de zăpadă (sau bilă de stea). Cu cât mai multe straturi de gaz și praf sunt coagulate între ele, cu atât interiorul acestui protostar devine mai dens. Această densitate crește forța gravitațională din apropierea protostarului, trăgând astfel mai mult material în el. Cu fiecare atom de praf și atom de hidrogen pe care îl acumulează, presiunea în interiorul acestei bile de gaz crește.
Dacă vă amintiți ceva de la orice clasă de chimie pe care ați luat-o vreodată, puteți aminti o relație foarte specială între presiune și temperatură atunci când tratați un gaz. PV = nRT, legea ideală a gazelor, îmi vine în minte. Excluzând valoarea scalară constantă 'n' și constanta de gaz R ({8.314 J / mol x K}) și rezolvând temperatura (T), obținem T = PV, ceea ce înseamnă că temperatura unui nor de gaz este direct proporțională la presiune. Dacă măriți presiunea, creșteți temperatura. Nucleul acestei stele care va fi în curând să stea în această nebuloasă întunecată devine foarte dens, iar presiunea se ridică. În conformitate cu ceea ce tocmai am calculat, asta înseamnă că temperatura crește și ea.
Încă o dată avem în vedere această nebuloasă pentru următorul pas. Această nebuloasă are o cantitate mare de praf și gaz (prin urmare, este opacă), ceea ce înseamnă că are o mulțime de materiale pentru a alimenta protostarul nostru. Continuă să tragă gazul și praful din mediul înconjurător și începe să se încălzească. Particulele de hidrogen din miezul acestui obiect se învârtesc atât de repede încât eliberează energie în stea. Protostarul începe să se încălzească și acum strălucește cu radiații (în general infraroșu). În acest moment, gravitația continuă să tragă mai mult gaz și praf, care se adaugă presiunilor exercitate adânc în miezul acestui protostar. Gazul Nebuloasei Întunecate va continua să se prăbușească în sine până când se va întâmpla ceva important. Când aproape de stea a rămas aproape de nimic să cadă pe suprafața sa, acesta începe să piardă energie (datorită faptului că radiază ca lumină). Când se întâmplă acest lucru, forța exterioară se diminuează și gravitația începe să se contracte mai rapid pe stea. Acest lucru crește considerabil presiunea în miezul acestui protostar. Pe măsură ce presiunea crește, temperatura din miez atinge o valoare crucială pentru procesul la care asistăm. Nucleul protostarului a devenit atât de dens și fierbinte, încât ajunge la aproximativ 10 milioane de Kelvin. Pentru a pune în perspectivă, această temperatură este cu aproximativ 1700x mai caldă decât suprafața soarelui nostru (aproximativ 5800K). De ce este atât de important 10 milioane de Kelvin? Deoarece la această temperatură, poate apărea fuziunea termonucleară a hidrogenului și, odată ce fuziunea începe, această stea nou-născută „se aprinde” și izbucnește la viață, trimițând cantități vaste de energie în toate direcțiile.
În miez, este atât de fierbinte încât electronii care se fixează în jurul nucleelor protonice ale hidrogenului sunt dezbrăcați (ionizați) și tot ce aveți sunt protoni în mișcare liberă. Dacă temperatura nu este suficient de caldă, acești protoni care zboară gratuit (care au sarcini pozitive), se vor uita pur și simplu unul la altul. Cu toate acestea, la 10 milioane de Kelvin, protonii se mișcă atât de repede încât pot ajunge suficient de aproape pentru a permite preluarea forței nucleare puternice, iar atunci când se întâmplă, protonii Hidrogen încep să se trântească unul cu celălalt cu suficientă forță pentru a fuziona împreună, creând Atomi de heliu și care eliberează multă energie sub formă de radiații. Este o reacție în lanț, care se poate rezuma la 4 protoni obțin 1 atom de heliu + energie. Această fuziune este ceea ce aprinde steaua și o determină să „ardă”. Energia eliberată de această reacție ajută la ajutorarea altor protoni de Hidrogen și, de asemenea, furnizează energia pentru a împiedica steaua să se prăbușească în sine. Energia care pompează din această stea în toate direcțiile provine din miez, iar straturile subsecvente ale acestei stele tinere transmit toate căldura în felul lor (folosind metode de radiație și convecție în funcție de ce tip de stea s-a născut) .
Ceea ce am asistat acum, de la începutul călătoriei noastre când ne-am coborât în acea nebuloasă întunecată rece, este nașterea unei stele tinere și fierbinți. Nebuloasa a protejat această stea de radiațiile erotice care ar fi perturbat acest proces, precum și de a oferi mediul frigid care era necesar pentru ca gravitația să-și pună mâna și să-și lucreze magia. Când am asistat la forma protostarului, este posibil să fi văzut și ceva incredibil. Dacă conținutul acestei nebuloase este corect, cum ar fi faptul că are o cantitate mare de metale grele și silicați (rămași din supernovele stelelor anterioare, mai masive), ceea ce am putea începe să vedem ar fi formarea planetară care are loc pe discul de acumulare de material în jurul protostarului.
Rămânerea gazului și a prafului în vecinătatea noii noastre stele ar începe să formeze buzunare dense prin același mecanism
gravitație, în cele din urmă fiind capabil să se acumuleze în protoplanete care vor fi formate din gaz sau silicati și metal (sau o combinație a celor două). Acestea fiind spuse, formarea planetară este încă oarecum un mister pentru noi, deoarece se pare că există lucruri pe care nu le putem explica încă la locul de muncă. Dar acest model de formare a stelelor pare să funcționeze bine.
Viața stelei nu este aproape la fel de interesantă precum nașterea sau moartea sa. Vom continua să avansăm rapid ceasul și vom urmări cum evoluează acest sistem stelar. De-a lungul a câteva miliarde de ani, rămășițele Nebuloasei Întunecate au fost distruse și au format și alte stele precum cea la care am fost martorii, și aceasta nu mai există. Planetele pe care le-am văzut formate pe măsură ce protostarul crește își începe dansul miliardar de ani în jurul stelei părinte. Poate că pe una dintre aceste lumi, o lume care se află chiar la distanța dreaptă de stea, există apă lichidă. În acea apă conțin aminoacizii necesari pentru proteine (toate compuse din elementele care au rămas prin erupții stelare anterioare). Aceste proteine sunt capabile să se lege între ele pentru a începe să formeze lanțuri ARN, apoi lanțuri ADN. Poate că la un moment dat la câteva miliarde de ani de la nașterea stelei, vedem că o specie care depășește spațiul se lansează în cosmos sau poate nu realizează acest lucru din diverse motive și rămâne legată de planetă. Desigur, aceasta este doar speculația pentru amuzamentul nostru. Cu toate acestea, acum ajungem la sfârșitul călătoriei noastre care a început acum miliarde de ani. Steaua începe să moară.
Hidrogenul din miezul său este topit în Heliu, care epuizează Hidrogenul în timp; steaua rămâne fără gaz. După mulți ani, procesul de fuziune a hidrogenului începe să se oprească, iar steaua scoate din ce în ce mai puțină energie. Această lipsă de presiune exterioară din procesul de fuziune supără ceea ce numim echilibrul hidrostatic și permite câștigării gravitației (care încearcă întotdeauna să zdrobească steaua). Steaua începe să se micșoreze rapid sub propria greutate. Dar, la fel cum am discutat anterior, pe măsură ce presiunea crește, la fel și temperatura. Tot Heliumul care a rămas
din miliarde de ani de fuziune cu hidrogen începe acum să se încălzească în miez. Heliul fuzionează la o temperatură mult mai caldă decât hidrogenul, ceea ce înseamnă că miezul bogat în heliu este capabil să fie presat spre interior prin gravitație, fără a se contopi (încă). Deoarece fuziunea nu are loc în miezul Helium, nu există forță exterioară mică (dată de fuziune) pentru a împiedica colapsul. Această materie devine mult mai densă, pe care acum o etichetăm ca fiind degenerată și împinge cantități masive de căldură (energia gravitațională devine energie termică). Acest lucru face ca Hidrogenul rămas care se află în straturile ulterioare de deasupra miezului de heliu să fuzioneze, ceea ce face ca steaua să se extindă foarte mult, deoarece această coajă de hidrogen arde de sub control. Acest lucru face ca steaua să „revină” și se extinde rapid; fuziunea mai energică din cojile de hidrogen din afara miezului extinzând foarte mult diametrul stelei. Steaua noastră este acum un uriaș roșu. Unele, dacă nu toate planetele interioare la care am asistat formează, vor fi incinerate și înghițite de steaua care le-a dat viața. Dacă s-ar întâmpla să existe vreo viață pe oricare dintre acele planete care nu au reușit să părăsească lumea lor natală, cu siguranță ar fi șterse din univers, de care nu se știe niciodată.
Acest proces al stelei care rămâne fără combustibil (mai întâi Hidrogen, apoi Heliu, etc.) va continua o perioadă. În cele din urmă, Helium-ul din miez va atinge o anumită temperatură și va începe să fuzioneze în Carbon, ceea ce va scoate colapsul (și moartea) stelei. Steaua pe care o urmărim în prezent și moare este o stea de secvență principală de dimensiuni medii, astfel încât viața sa se încheie odată ce a terminat să fuzioneze Helium în
Carbon. Dacă steaua ar fi mult mai mare, acest proces de fuziune ar continua până când am ajunge la fier. Fierul este elementul în care fuziunea nu are loc spontan, ceea ce înseamnă că necesită mai multă energie pentru a-l contopi decât a emite după fuziune. Cu toate acestea, steaua noastră nu va ajunge niciodată la fier în miezul său și astfel a murit după ce și-a epuizat rezervorul de heliu. Atunci când procesul de fuziune se „oprește” în sfârșit (fără gaz), steaua începe încet să se răcească, iar straturile exterioare ale stelei se extind și sunt exprimate în spațiu. Ejectările ulterioare ale materialului stelar continuă să creeze ceea ce numim o nebuloasă planetară, iar tot ce a mai rămas din steaua cândva strălucitoare pe care am privit-o primăvara este acum doar o bilă de carbon dens, care va continua să se răcească pentru tot restul eternității, posibil cristalizând în diamant.
Moartea la care am asistat tocmai acum nu este singurul mod în care o stea moare. Dacă o stea este suficient de mare, moartea ei este mult mai violentă. Steaua va izbucni în cea mai mare explozie din univers, numită supernova. În funcție de multe variabile, rămășița stelei poate ajunge ca o stea neutronă, sau chiar o gaură neagră. Dar pentru cea mai mare parte a ceea ce numim stele de secvență principală de dimensiuni medii, moartea la care am asistat va fi soarta lor.
Călătoria noastră se încheie odată cu noi cu privire la ceea ce am observat. Văzând ce poate face natura având în vedere circumstanțele corecte și urmărirea unui nor de gaze foarte reci și praf se transformă în ceva care are potențialul de a inspira viață în cosmos. Mințile noastre rătăcesc spre acea specie care ar fi putut evolua pe una dintre acele planete. Vă gândiți cum ar putea să treacă prin faze similare cu noi. Posibil să folosească stelele ca zeități supranaturale care și-au ghidat credințele timp de mii de ani, înlocuind răspunsurile pentru locul unde domnea ignoranța lor. Aceste credințe s-ar putea transforma în religii, înțelegând în continuare acea noțiune de selecție specială și gândire magnanimă. Le-ar alimenta stelele dorința de a înțelege universul așa cum au făcut stelele pentru noi? Mintea ta reflectă atunci care va fi soarta noastră dacă nu încercăm să facem următorul pas în univers. Vom permite dacă speciile noastre să fie șterse din cosmos pe măsură ce steaua noastră se extinde în moartea sa? Această călătorie pe care tocmai ați făcut-o în inima unei nebuloase întunecate exemplifică cu adevărat ce poate face mintea umană și vă arată cât de departe am ajuns, chiar dacă suntem încă legați de sistemul nostru solar. Lucrurile pe care le-ai învățat au fost găsite de alții ca tine, pur și simplu întrebând cum se întâmplă lucrurile și apoi aducând toată greutatea cunoștințelor noastre de fizică. Imaginează-ți ce putem realiza dacă continuăm acest proces; fiind capabil să ne atingem pe deplin locul printre stele.
