В них есть что-то, что заинтриговало нас всех. Многие из религий человечества могут быть связаны с поклонением этим небесным свечам. Для египтян солнце было представителем Бога Ра, который каждый день побеждал ночь и приносил свет и тепло в земли. Для греков именно Аполлон вел свою пылающую колесницу по небу, освещая мир. Даже в христианстве можно сказать, что Иисус является представителем солнца, учитывая поразительные черты его истории, связанные с древними астрологическими верованиями и цифрами. Фактически, многие из древних верований следуют подобному пути, и все они связывают свое происхождение с поклонением солнцу и звездам.
Человечество процветало от звезд на ночном небе, потому что они распознали корреляцию в схеме, в которой определенные звездные образования (известные как созвездия) представляли определенные времена в годовом цикле. Один из них означал, что скоро станет теплее, что привело к посадке пищи. Другие созвездия предсказывали приход
холодный период, чтобы вы могли начинать хранить еду и собирать дрова. Двигаясь вперед в путешествии человечества, звезды стали способом навигации. Плавание под звездами было способом передвижения, и мы обязаны своим ранним исследованием нашим пониманием созвездий. В течение многих десятков тысяч лет, когда человеческие глаза смотрели вверх на небеса, лишь сравнительно недавно мы полностью начали понимать, что на самом деле были звезды, откуда они взялись, как они жили и умерли. Это то, что мы обсудим в этой статье. Пойдем со мной, когда мы углубимся в космос, и станем свидетелями того, как физики пишут, как я освещаю, как звезда рождается, живет и, в конце концов, умирает.
Мы начинаем наше путешествие с путешествия во вселенную в поисках чего-то особенного. Мы ищем уникальную структуру, в которой присутствуют как правильные обстоятельства, так и ингредиенты. Мы ищем то, что астроном называет Темной туманностью. Я уверен, что вы уже слышали о туманностях и, несомненно, видели их. Многие из удивительных изображений, полученных космическим телескопом Хаббла, представляют собой красивые газовые облака, светящиеся на фоне миллиардов звезд. Их цвета варьируются от глубоких красных до ярких синих и даже жутких зеленых. Это не тот тип туманности, который мы ищем. Туманность, которая нам нужна, темная, непрозрачная и очень-очень холодная.
Вы можете задаться вопросом: «Почему мы ищем что-то темное и холодное, когда звезды яркие и горячие?»
В самом деле, это то, что на первый взгляд кажется загадочным. Почему что-то должно быть холодным, прежде чем оно станет очень горячим? Во-первых, мы должны охватить нечто элементарное в том, что мы называем Межзвездной средой (ISM), или в пространстве между звездами. Пространство не пустое, как следует из его названия. Пространство содержит и газ, и пыль. Газ, о котором мы в основном говорим, это водород, самый распространенный элемент во вселенной. Поскольку Вселенная не является однородной (одинаковая плотность газа и пыли на каждый кубический метр), есть места в пространстве, которые содержат больше газа и пыли, чем другие. Это заставляет гравитацию манипулировать этими карманами, образуя то, что мы видим как туманности. Многие вещи входят в создание этих разных туманностей, но та, которую мы ищем, Темная туманность, обладает совершенно особыми свойствами. Теперь давайте погрузимся в одну из этих темных туманностей и посмотрим, что происходит.
Когда мы спускаемся через внешние слои этой туманности, мы замечаем, что температура газа и пыли очень низкая. В некоторых туманностях температура очень высокая. Чем больше частиц сталкивается друг с другом, возбужденных поглощением и излучением внешнего и внутреннего излучения, тем выше температура. Но в этой Темной туманности происходит обратное. Температуры понижаются, чем дальше в облако, которое мы получаем. Причина, по которой эти Темные туманности обладают особыми свойствами, способствующими созданию великого звездного питомника, связана с основными свойствами туманности и типом региона, в котором существует облако, с которым связаны некоторые сложные понятия, которые я не буду полностью иллюстрировать. Вот. Они включают область, где образуются молекулярные облака, которые называются Нейтральными Водородными Областями, и свойства этих областей должны иметь дело со значениями спина электронов, а также с взаимодействиями магнитного поля, которые воздействуют на указанные электроны. Черты, которые я расскажу, - это то, что позволяет этой конкретной туманности созреть для формирования звезд.
Исключая сложную науку о том, что помогает формировать эти туманности, мы можем приступить к рассмотрению первого вопроса о том, почему мы должны становиться холоднее, чтобы стать горячее. Ответ сводится к гравитации. Когда частицы нагреваются или возбуждаются, они движутся быстрее. Облако с достаточной энергией будет содержать слишком много импульса между каждой из частиц пыли и газа для образования любого типа образований. Например, если частицы пыли и атомы газа движутся слишком быстро, они просто отскакивают друг от друга или просто проносятся мимо друг друга, никогда не достигая какой-либо связи. Без этого взаимодействия вы никогда не сможете получить звезду. Однако, если температура достаточно низкая, частицы газа и пыли движутся так медленно, что их взаимная гравитация позволит им начать «слипаться». Именно этот процесс позволяет протозвезде начать формироваться.
Обычно то, что обеспечивает энергию для более быстрого движения частиц в этих молекулярных облаках, - это излучение. Конечно, во вселенной постоянно происходит излучение со всех сторон. Как мы видим с другими туманностями, они светятся энергией, и звезды не рождаются среди облаков горячего газа. Они нагреваются от внешнего излучения других звезд и от собственного внутреннего тепла. Как эта Темная туманность препятствует тому, чтобы внешнее излучение нагревало газ в облаке и вызывало слишком быстрое движение гравитации? Это где
непрозрачная природа этих темных туманностей вступает в игру. Непрозрачность - это мера того, сколько света способно пройти сквозь объект. Чем больше материала в объекте или чем толще объект, тем меньше света может проникнуть в него. На более высокочастотный свет (гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение) и даже на видимые частоты больше влияют толстые карманы газа и пыли. Только низкочастотные типы света, включая инфракрасный, микроволновый и радиоволны, могут успешно проникать сквозь газовые облака, подобные этим, и даже они несколько рассеиваются, так что, как правило, они не содержат почти достаточно энергии, чтобы начать разрушать этот опасный процесс звездообразования. Таким образом, внутренние части облаков темного газа эффективно «защищены» от внешнего излучения, которое разрушает другие, менее непрозрачные туманности. Чем меньше излучения попадает в облако, тем ниже температура газа и пыли внутри него. Более низкие температуры означают меньшее движение частиц внутри облака, что является ключом к тому, что мы обсудим дальше.
Действительно, когда мы спускаемся к ядру этого темного молекулярного облака, мы замечаем, что все меньше и меньше видимого света попадает в наши глаза, и со специальными фильтрами мы можем видеть, что это верно для других частот света. В результате температура облака очень низкая. Стоит отметить, что процесс звездообразования занимает очень много времени, и из-за того, чтобы вы не читали вас сотни тысяч лет, мы теперь перенесем время вперед. За несколько тысяч лет гравитация втянула достаточное количество газа и пыли из окружающего молекулярного облака, что привело к его слипанию. Частицы пыли и газа, все еще экранированные от внешнего излучения, могут свободно собираться и «прилипать» при таких низких температурах. Со временем что-то интересное начинает происходить. Взаимная гравитация этого постоянно растущего шара газа и пыли начинает эффект снежного кома (или звездного шара). Чем больше слоев газа и пыли коагулируется вместе, тем плотнее становится внутренняя часть этой протозвезды. Эта плотность увеличивает гравитационную силу около протозвезды, тем самым втягивая в нее больше материала. С каждым скоплением пыли и атома водорода давление внутри этого газового шара увеличивается.
Если вы помните что-либо из какого-либо химического курса, который вы когда-либо посещали, вы можете вспомнить совершенно особые отношения между давлением и температурой при работе с газом. PV = NRT, закон идеального газа, приходит на ум. Исключая постоянное скалярное значение 'n' и газовую постоянную R ({8,314 Дж / моль х K}) и решая для температуры (T), мы получаем T = PV, что означает, что температура газового облака прямо пропорциональна давлению. Если вы увеличиваете давление, вы увеличиваете температуру. Ядро этой будущей звезды, находящейся в этой Темной туманности, становится очень плотным, и давление стремительно растет. Согласно тому, что мы только что рассчитали, это означает, что температура также увеличивается.
Мы еще раз рассмотрим эту туманность для следующего шага. Эта туманность содержит большое количество пыли и газа (следовательно, она непрозрачна), что означает, что у нее много материала для питания нашей протозвезды. Он продолжает втягивать газ и пыль из окружающей среды и начинает нагреваться. Частицы водорода в ядре этого объекта отскакивают так быстро, что выделяют энергию в звезду. Протозвезда начинает сильно нагреваться и теперь светится излучением (обычно инфракрасным). В этот момент гравитация все еще притягивает больше газа и пыли, что увеличивает давление, оказываемое глубоко внутри ядра этой протозвезды. Газ Темной туманности будет продолжать разрушаться, пока не произойдет что-то важное. Когда от звезды почти ничего не остается, чтобы упасть на ее поверхность, она начинает терять энергию (из-за того, что она излучается в виде света). Когда это происходит, эта внешняя сила уменьшается, и гравитация начинает сжимать звезду быстрее. Это значительно увеличивает давление в ядре этой протозвезды. По мере роста давления температура в ядре достигает значения, которое имеет решающее значение для процесса, который мы наблюдаем. Ядро протозвезды стало настолько плотным и горячим, что достигает примерно 10 миллионов Кельвинов. Чтобы поместить это в перспективу, эта температура примерно в 1700 раз выше, чем поверхность нашего Солнца (около 5800K). Почему 10 миллионов Кельвинов так важны? Потому что при этой температуре может произойти термоядерное слияние водорода, и как только оно начнется, эта новорожденная звезда «включается» и оживает, посылая огромное количество энергии во всех направлениях.
В ядре так жарко, что электроны, которые проникают вокруг протонных ядер водорода, отрываются (ионизируются), и все, что у вас есть, это свободно движущиеся протоны. Если температура недостаточно высокая, эти свободно летающие протоны (которые имеют положительные заряды) просто оторвутся друг от друга. Тем не менее, при 10 миллионах Кельвинов протоны движутся так быстро, что могут подойти достаточно близко, чтобы позволить сильной ядерной силе вступить во владение, и когда это произойдет, водородные протоны начнут врезаться друг в друга с достаточной силой, чтобы соединиться вместе, создавая Атомы гелия выделяют много энергии в виде излучения. Это цепная реакция, которую можно суммировать, поскольку 4 протона дают 1 атом гелия + энергию. Этот сплав - то, что зажигает звезду и заставляет ее «гореть». Энергия, высвобождаемая в результате этой реакции, помогает другим плавиться протонам Водорода, а также снабжает энергией, чтобы звезда не упала на себя. Вся энергия, которая выкачивается из этой звезды во всех направлениях, исходит от ядра, и все последующие слои этой молодой звезды передают это тепло по-своему (используя методы излучения и конвекции в зависимости от того, какой тип звезды родился) ,
С самого начала нашего путешествия, когда мы погрузились в эту холодную Темную туманность, мы стали свидетелями рождения молодой горячей звезды. Туманность защищала эту звезду от случайного излучения, которое могло бы нарушить этот процесс, а также создавало холодную среду, которая была необходима для того, чтобы гравитация завладела и заработала свою магию. Когда мы стали свидетелями формы протозвезды, возможно, мы также увидели нечто невероятное. Если бы содержимое этой туманности было правильным, например, из-за наличия большого количества тяжелых металлов и силикатов (оставшихся от сверхновых звезд более старых звезд), мы могли бы увидеть, как происходит образование планет в аккреционном диске материал вокруг протозвезды.
Оставшийся газ и пыль в окрестностях нашей новой звезды начнут образовывать плотные карманы по тому же механизму
гравитация, в конечном счете способная нарастать в протопланеты, которые будут состоять из газа или силикатов и металла (или их комбинации). При этом планетарное образование все еще остается для нас загадкой, поскольку, кажется, есть вещи, которые мы еще не можем объяснить на работе. Но эта модель формирования звездной системы, кажется, работает хорошо.
Жизнь звезды не так захватывающая, как ее рождение или смерть. Мы продолжим ускоренную перемотку часов и будем наблюдать за развитием этой звездной системы. За несколько миллиардов лет остатки Темной туманности были разорваны на части, а также образовали другие звезды, подобные той, которую мы видели, и ее больше не существует. Планеты, которые мы видели, сформировавшиеся по мере роста протозвезды, начинают свой миллиардный танец вокруг своей родительской звезды. Может быть, в одном из этих миров, мире, который находится на правильном расстоянии от звезды, существует жидкая вода. В этой воде содержатся аминокислоты, которые необходимы для белков (все они состоят из элементов, которые были оставлены предыдущими звездными извержениями). Эти белки способны соединяться вместе, чтобы начать формировать цепи РНК, а затем цепи ДНК. Возможно, в какой-то момент, через несколько миллиардов лет после рождения звезды, мы видим, как космические виды запускаются в космос, или, возможно, они по разным причинам не достигают этого и остаются привязанными к планете. Конечно, это просто предположение для нашего развлечения. Однако теперь мы подошли к концу нашего путешествия, которое началось миллиарды лет назад. Звезда начинает умирать.
Водород в его ядре сливается с гелием, который со временем истощает водород; у звезды кончается газ. Через много лет процесс синтеза водорода начинает останавливаться, и звезда выделяет все меньше и меньше энергии. Это отсутствие внешнего давления от процесса синтеза нарушает то, что мы называем гидростатическим равновесием, и позволяет гравитации (которая всегда пытается сокрушить звезду) победить. Звезда начинает быстро уменьшаться под действием собственного веса. Но, как мы уже говорили ранее, с ростом давления повышается и температура. Весь тот гелий, который был оставлен
с миллиардов лет водородного синтеза теперь начинает нагреваться в ядре. Гелий плавится при гораздо более высокой температуре, чем водород, что означает, что богатое гелием ядро может быть нагнетаемо внутрь под действием силы тяжести без плавления (пока). Поскольку в ядре гелия не происходит слияния, внешняя сила (выделяемая при слиянии) практически отсутствует, чтобы предотвратить разрушение ядра. Эта материя становится намного плотнее, которую мы сейчас называем вырожденной, и выталкивает огромное количество тепла (гравитационная энергия становится тепловой энергией). Это вызывает слияние оставшегося водорода, который находится в последующих слоях над ядром гелия, что приводит к значительному расширению звезды, когда эта оболочка водорода выходит из-под контроля. Это заставляет звезду «отскакивать» и быстро расширяется; более энергичный синтез из водородных оболочек вне ядра значительно расширяет диаметр звезды. Наша звезда теперь красный гигант. Некоторые, если не все внутренние планеты, свидетелями которых мы были, будут сожжены и поглощены звездой, которая первой дала им жизнь. Если бы на какой-либо из тех планет, которым не удалось покинуть свой родной мир, была какая-то жизнь, они наверняка были бы стерты из вселенной, о которой никогда не было бы известно.
Этот процесс, когда у звезды кончается топливо (сначала водород, затем гелий и т. Д.), Будет продолжаться некоторое время. В конце концов, гелий в ядре достигнет определенной температуры и начнет сливаться с углеродом, что остановит коллапс (и смерть) звезды. Звезда, которую мы в настоящее время наблюдаем вживую и умираю, - это Звезда Главной Последовательности среднего размера, поэтому ее жизнь заканчивается, как только она закончится, превращая Гелий в
Carbon. Если бы звезда была намного больше, этот процесс синтеза продолжался бы, пока мы не достигли Железного. Железо - это элемент, в котором синтез не происходит самопроизвольно, а это означает, что для его плавления требуется больше энергии, чем выделяется после синтеза. Однако наша звезда никогда не доберется до железа в своем ядре, и, таким образом, она умерла после того, как исчерпала свой гелиевый резервуар. Когда процесс синтеза окончательно «выключается» (из газа), звезда медленно начинает охлаждаться, а внешние слои звезды расширяются и выбрасываются в космос. Последующие выбросы звездного материала продолжаются, чтобы создать то, что мы называем планетарной туманностью, и все, что осталось от некогда блестящей звезды, которую мы наблюдали за появлением весны, теперь это просто шар из плотного углерода, который будет охлаждаться до конца вечности, возможно кристаллизуется в алмаз.
Смерть, свидетелем которой мы стали сейчас, - не единственный способ смерти звезды. Если звезда достаточно велика, ее смерть будет гораздо более жестокой. Звезда разразится самым большим взрывом во вселенной, который называется сверхновой. В зависимости от многих переменных, остаток звезды может оказаться нейтронной звездой или даже черной дырой. Но для большей части того, что мы называем звездами главной последовательности среднего размера, смерть, свидетелем которой мы стали, станет их судьбой.
Наше путешествие заканчивается тем, что мы размышляем над тем, что мы наблюдали. Видеть, что может сделать природа, при правильных обстоятельствах, и наблюдать, как облако очень холодного газа и пыли превращается во что-то, что может вдохнуть жизнь в космос. Наши умы возвращаются к тому виду, который мог эволюционировать на одной из этих планет. Вы думаете о том, как они прошли через фазы, подобные нам. Возможно, используя звезды как сверхъестественные божества, которые руководили их верованиями в течение тысячелетий, заменяя ответы на вопросы, где царило их невежество. Эти верования, возможно, могут превратиться в религии, все еще осознавая это понятие особого отбора и великодушного мышления. Будут ли звезды подпитывать их желание понять вселенную, как звезды для нас? Тогда ваш разум обдумывает, какой будет наша судьба, если мы не попытаемся сделать следующий шаг во вселенную. Мы должны позволить нашему виду быть стертым из космоса, поскольку наша звезда расширяется в своей смерти? Это путешествие, которое вы только что совершили в сердце Темной туманности, действительно иллюстрирует то, что может сделать человеческий разум, и показывает вам, как далеко мы продвинулись, хотя мы все еще связаны с нашей солнечной системой. Вещи, которые вы изучили, были найдены другими, такими как вы, просто спрашивавшими, как все происходит, а затем раскрыли весь вес наших знаний по физике. Представьте, чего мы можем достичь, если продолжим этот процесс; быть в состоянии полностью достичь нашего места среди звезд.
