Supernowa czy biały karzeł? – różne końce życia gwiazd

Jaki koniec czeka gwiazdy? Które zakończą swój żywot jako supernowe lub czarne dziury, a które staną się po swojej śmierci białymi karłami? Czy śmierć gwiazdy oznacza jej całkowite unicestwienie? Oto pytania, na które odpowiedzi potrafią zafascynować nie tylko amatorów astronomii, ale również specjalistów.

Nawet gołym okiem możemy dostrzec na nocnym niebie, że niektóre gwiazdy świecą mocniej od innych oraz że jedne mają poświatę niebieską, a inne czerwoną. Jednak teoria ewolucji gwiazd jednoznacznie zakłada, że wielkością wpływającą na czas życia i końcowy etap istnienia gwiazdy jest jej masa. Gwiazdy przez większą część swojego życia pozostają w stanie równowagi hydrostatycznej (tzn. że ciśnienie gazu rozpychające gwiazdę na zewnątrz równoważone jest działającą przeciwnie siłą grawitacji). Zaburzenie tej równowagi następuje w chwili, gdy wodór wewnątrz gwiazdy zaczyna się wyczerpywać i rozpoczyna się spalanie helu, a następnie ewentualnie kolejnych cięższych pierwiastków i gwiazda znacznie zwiększa swe rozmiary. O procesie tym mówi się, że gwiazda staje się olbrzymem. I to jest etap, które przechodzą wszystkie gwiazdy, a dalszy ciąg tego procesu zależy od ich początkowej masy.

W przypadku gwiazd o masie porównywalnej z masą Słońca, gdy zaczyna w nich brakować helu, następuje ich kurczenie się. Powoduje to zapadnięcie się jądra gwiazdy, a jej zewnętrzne powłoki zostają odrzucone, co skutkuje powstaniem mgławicy planetarnej (nazwa może być myląca, gdyż nie ma nic wspólnego z planetami, a powstała w czasach, gdy obserwujący ją astronomowie mylnie obszary te kojarzyli z planetami). Po pozbyciu się zewnętrznej otoczki, po gwieździe pozostaje tylko centralne jądro w postaci świecącej kuli, którą nazywamy białym karłem. Przeciętny biały karzeł jest rozmiarami zbliżony do Ziemi, a jego masa nie przekracza 1,44 masy Słońca. Jak łatwo zauważyć, upakowanie tak dużej ilości materii w tak małym obiekcie powoduje, że jego gęstość jest znacznie większa niż gęstość naszej planety. Dla porównania przedmiot wielkości kostki cukru z materii białego karła ważyłby kilka ton. W dalszym etapie białe karły powoli stygną, tworząc hipotetyczne czarne karły (stygnięcie białych karłów trwa miliardy lat i w związku z tym prawdopodobnie żaden biały karzeł jeszcze nie stał się czarnym). Na zdjęciu poniżej mgławica planetarna Ślimak.

Gdy masa gwiazdy przewyższa ośmiokrotnie masę Słońca, po wypaleniu się helu w wyniku zachodzących wewnątrz niej reakcji powstają coraz cięższe pierwiastki, aż do powstania żelaznego jądra. Synteza pierwiastków cięższych od żelaza nie dostarcza już gwieździe energii, wskutek czego zostaje ona pozbawiona zasilania, jej równowaga zostaje zaburzona i materia z zewnątrz zapada się do wnętrza, po czym zostaje odbita od jądra i odrzucona z ogromną prędkością na zewnątrz. Zjawisko to jest nazywane wybuchem supernowej. Większość materii gwiazdy zostaje odrzucona w przestrzeń, tworząc spektakularne pozostałości po wybuchu. Po wybuchu w centrum pozostaje niewielkie jądro, ale o wielkiej masie. Jego gęstość jest tak ogromna, że jedna łyżeczka tej materii ważyłaby kilka miliardów ton. Obiekty te mają masę 1,4 do 2,5 mas Słońca przy średnicy 10-15 kilometrów i nazywamy je gwiazdami neutronowymi. Gdy prędkość rotacji i pole magnetyczne gwiazdy neutronowej gwałtownie wzrasta, staje się ona pulsarem (wysyłającym w niewielkich odstępach czasu impulsy promieniowania elektromagnetycznego) lub magnetarem (emitującym promieniowanie gamma oraz rentgenowskie), wirującym z szybkością nawet 1000 obrotów na sekundę. Na zdjęciu poniżej wybuch supernowej zaobserwowany w Wielkim Obłoku Magellana.

Jeśli masa gwiazdy przewyższa dziesięciokrotnie masę Słońca, zapadanie grawitacyjne nie kończy się na powstaniu gwiazdy neutronowej, lecz jest kontynuowane aż do momentu, gdy grawitacja nie pozwala uciec na zewnątrz nawet światłu (czyli tzw. prędkość ucieczki, jaką należy rozwinąć, aby opuścić dane ciało niebieskie, jest równa prędkości światła). Tak powstają czarne dziury, czyli jedne z najbardziej zagadkowych obiektów we Wszechświecie. W związku z tym, że nie wydostaje się z nich promieniowanie, nie można ich ujrzeć wprost. Jest to możliwe poprzez obserwację materii znajdującej się wokół czarnych dziur i przez nie wchłanianej. Przypuszcza się, że w środku większości galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury, o masie nawet miliard razy większej od Słońca. Najbliższa z nich prawdopodobnie znajduje się w środku naszej galaktyki. Na zdjęciu poniżej grafika przedstawiająca „pożeranie” gwiazdy przez czarną dziurę, opracowana przez NASA na podstawie obserwacji ich naukowców.

A jaki koniec czeka gwiazdy o masie ponad dwa razy mniejszej od Słońca? Okazuje się, że w tym wypadku nie ma żadnych spektakularnych wyrzutów materii ani zapadania się jądra. Z gwiazd tego typu po wyczerpaniu się wodoru w ich wnętrzu pozostają tylko wypalone jądra, coraz słabiej świecące, aż w końcu kiedyś zgasną na dobre.

Jak widać, tak jak gwiazdy różnią się od siebie w trakcie swojego życia, tak i różne są końce ich żywota. Nadal jednak pozostaje wiele nieścisłości i luk w wiedzy naukowej, a odkrywane coraz to nowe gwiazdy nie raz przynoszą naukowcom niespodzianki, dlatego mimo tak szczegółowych badań Wszechświat wciąż nas zadziwia.

Konstelacje gwiazd – czyli porządkowanie nocnego nieba

Ludzie od początków swego istnienia podziwiali gwiazdy, a także przypisywali im mityczne znaczenie. W związku z tym, a także aby uporządkować wiedzę o nich, utworzono na niebie gwiazdozbiory.

Niemal każdy z nas potrafi rozpoznać Wielki czy Mały Wóz, a także charakterystycznego Oriona, widocznego nad horyzontem zimą. To właśnie dzięki gwiazdozbiorom, czyli inaczej konstelacjom, orientacja wśród licznych, widocznych gołym okiem gwiazd na niebie jest łatwiejsza. Gwiazdozbiory są obszarami nieba, do których należą gwiazdy znajdujące się w ich określonych granicach. Międzynarodowa Unia Astronomiczna zdefiniowała i uznała istnienie 88 konstelacji. Wiele z nich swym kształtem i nazwą nawiązuje do tradycji mitologicznych, wobec czego działają bardziej na wyobraźnię ludzką niż ich dokumentacja naukowa.

Mimo, że patrząc w niebo, widzimy w gwiazdozbiorach gwiazdy obok siebie, w rzeczywistości są one bardzo oddalone względem siebie w przestrzeni kosmicznej.  Za to, że widzimy je w ten sposób, odpowiada zjawisko perspektywy, co oznacza, że gwiazdy te nie są ze sobą związane fizycznie, a ich umiejscowienie obok siebie spowodowane jest geometrycznym efektem rzutowania ich położeń na sferę niebieską. Zdarza się więc, że dalej oddalona jasna gwiazda może się wydawać towarzyszką bliżej położonej słabszej gwiazdy, choć w rzeczywistości nie mają ze sobą nic wspólnego.

Zobaczenie wszystkich gwiazdozbiorów możliwe jest tylko w okolicach równika. Na poszczególnych półkulach Ziemi przez cały rok widać tylko część nieba, w związku z tym rozróżnia się gwiazdozbiory nieba północnego oraz południowego. Budzi to pewny niedosyt, ale jednocześnie pobudza ciekawość i pragnienie zobaczenia „innego nieba”.

Na koniec polecam ciekawy utwór, poruszający tematykę astronomii w rytmie hip-hop: https://www.youtube.com/watch?v=DZrtQNe8N5w

Słońce – nasza gwiazda dzienna

Słońce jest typową gwiazdą w środkowym etapie ewolucji. Leży w centrum Układu Słonecznego, a wokół niej krąży 8 planet, planety karłowate oraz małe ciała Układu Słonecznego (komety, planetoidy, asteroidy, itp.).

Słońce powstało w wyniku zapadnięciu się pod własnym ciężarem (tzw. kolapsu grawitacyjnego) fragmentu obłoku gazowego. Przypuszcza się, że kolaps ten został zapoczątkowany jakimś gwałtownym zdarzeniem w pobliżu, np. wybuchem supernowej. Po około 100 tysiącach lat Proto-słońce zaczęło świecić dzięki zamianie grawitacyjnej energii potencjalnej obłoku na energię cieplną. W tym samym czasie część materii uformowała dysk, z którego później powstały planety Układu Słonecznego. Wewnątrz Słońca wciąż rosła gęstość i temperatura. Gdy temperatura osiągnęła poziom miliona Kelwinów (po około 50 milionach lat) w jądrze rozpoczęły się reakcje fuzji termojądrowej wodoru w hel. Ten moment, który nastąpił około 4,6 miliarda lat temu, uznaje się za narodziny Słońca.

Kolejne kilka miliardów lat można określić jako spokojną ewolucję. Obecnie Słońce jest mniej więcej w połowie swojego życia. W każdej sekundzie nasza gwiazda dzienna przetwarza 4 tony materii w energię, co w skali 4,6 miliarda lat daje wypromieniowanie w przestrzeń przetworzonej materii o wartości około 100 mas Ziemi. Reakcje termojądrowe powodują, że z początkowych 73% zawartości wodoru obecnie zostało już około 40%. Zmniejszająca się ilość wodoru powoduje równocześnie zwiększanie promienia, jasności i temperatury powierzchniowej. Przypuszcza się, że promień Słońca wzrósł w ciągu całego jego istnienia o około 10%, natomiast jego jasność wzrasta o 10% co miliard lat. Prawdopodobnie właśnie dlatego życie na Ziemi pojawiło się dopiero 500 milionów lat temu, wcześniej było po prostu za zimno. Niestety tendencja do zwiększania jasności Słońca doprowadzi również do zagłady życia na Ziemi i nastąpi to dużo wcześniej przed jego zmianami pod koniec życia. Za około miliard lat temperatura naszej gwiazdy wzrośnie do tego stopnia, że cała woda na naszej planecie wyparuje, a po kolejnych dwóch miliardach lat uleci w przestrzeń kosmiczną.

Początek końca Słońca rozpocznie się za około 5 miliardów lat, gdy jego całe zapasy wodoru w jądrze zostaną przetworzone w hel, co spowoduje zaburzenie równowagi i jądro zacznie się zapadać pod własnym ciężarem. Jego temperatura gwałtownie wzrośnie i spalany zacznie być wodór z zewnętrznych powłok naszej gwiazdy. Z powodu zwiększonego ciśnienia promieniowania zewnętrzne warstwy zaczną puchnąć. Na około miliard lat Słońca stanie się czerwonym olbrzymem o jasności ponad 2500 razy większej od obecnej, a jego promień zwiększy się 250-krotnie, czyli sięgnie poza dzisiejszą orbitę Ziemi. Merkury i Wenus zostaną wchłonięte przez powiększające się Słońce, natomiast Ziemię czeka albo podzielenie ich losu, albo zepchnięcie na dalszą orbitę. Jednak dla nas nie będzie to miało znaczenia, bo już od kilku miliardów lat nie będzie na niej warunków do życia, natomiast prawdopodobnie w tamtym okresie planetą przyjazną życiu będzie Mars.

W pewnym momencie w już helowym jądrze temperatura i gęstość wzrosną na tyle, że możliwe będzie powstawanie jąder węgla z helu (może to nastąpić w temperaturze większej niż 100 milionów Kelwinów). Przez następne 100 milionów lat Słońce będzie dość stabilne, jednak gdy skończą mu się zapasy helu w jądrze, reakcje termojądrowe znów zaczną zachodzić w warstwach zewnętrznych, które się znów rozszerzą i schłodzą. W środku naszej gwiazdy nie nastąpi kolejny zapłon, bo ma na to zbyt małą masę, natomiast będzie się zapadało do momentu, gdy ciśnienie materii zdegenerowanej (czyli materii o bardzo dużej gęstości, której ciśnienie nie pozwala na zmniejszenie się poniżej pewnej objętości) go zatrzyma. Jednocześnie w ciągu zaledwie 100 tysięcy lat w przestrzeń zostaną odrzucone zewnętrzne warstwy gazu i nasza gwiazda przejdzie w fazę mgławicy planetarnej. Będzie to miało przebieg na tyle spokojny, że nie uszkodzi istniejących jeszcze planet, jednak ich orbity mogą zostać naruszone, co może skutkować kolizjami lub wyrzuceniem planet w przestrzeń. Pozostałością po naszej gwieździe będzie bardzo mały i gorący biały karzeł o masie o połowę mniejszej niż obecna i średnicy kilku tysięcy kilometrów (dla porównania Ziemia ma przeciętną średnicę wynoszącą 12742 km). Na początku będzie mieć temperaturę setek tysięcy Kelwinów i jasność nawet stukrotnie większą niż dziś, jednak z powodu braku wewnętrznego źródła energii będzie się powoli ochładzał, aż po kilkudziesięciu lub nawet kilkuset miliardach lat stanie się czarnym karłem, o temperaturze porównywalnej z temperaturą jego otoczenia. Jest to założenie hipotetyczne, gdyż Wszechświat jest zbyt młody (ma obecnie 13,6 miliarda lat), aby gwiazdy podobne do naszego Słońca osiągnęły ten etap. Natomiast gwiazdy masywniejsze od naszej gwiazdy kończą żywot w bardziej gwałtowny sposób, stając się gwiazdami neutronowymi lub czarnymi dziurami.

Obecnie nasze Słońce znajduje się w spokojnym okresie swojego życia, w porównaniu do jego przeszłości lub przyszłości, jednak właśnie dzięki temu spokojnemu okresowi zawdzięczamy nasze istnienie. Dzięki Słońcu powstało życie na Ziemi, niestety przyczyni się ono również do jego nieuchronnej zagłady, jednak pozostaje nam jeszcze przynajmniej miliard lat, aby się do tego przygotować i opuścić naszą planetę, zanim będzie za późno, jeśli oczywiście ludzkość doczeka tych czasów.

Na koniec ciekawostka dotycząca porównania wielkości planet naszego Układu Słonecznego oraz naszego Słońca z innymi gwiazdami: https://www.youtube.com/watch?v=HEheh1BH34Q

Ziemia – krótka historia naszego domu

Ziemia to trzecia planeta od Słońca w naszym Układzie Słonecznym i jak na razie jedyna, jaką znamy, na której istnieje życie. Co do wielkości jest piątą planetą w naszym układzie, jednak wśród planet skalistych jest na czele rankingu.

Ziemia uformowała się około 4,54 miliarda lat temu ze zlepiającej się ze sobą w wyniku kolizji materii krążącej wokół młodego Słońca. W ciągu kilkudziesięciu milionów lat ściągnęła na siebie większość materii ze swojego otoczenia. Na początku Ziemia była kulą płynnej lawy. Poprzez procesy zatapiania cięższych pierwiastków powstało niklowo-żelazne jądro, natomiast zewnętrzne warstwy stygły, tworząc skorupę ziemską, a w skutek aktywności wulkanicznej powstała atmosfera, składająca się wtedy głównie z dwutlenku węgla. Po około 100 milionach lat po uformowaniu, Ziemia uległa kolizji z protoplanetą wielkości Marsa, w skutek czego zdarta została atmosfera, a część skorupy ziemskiej została wybita w przestrzeń kosmiczną i poprzez oddziaływania grawitacyjne uformował się z niej Księżyc. Był to pierwszy okres w dziejach Ziemi zwany hadeikiem. Był to również czas intensywnych bombardowań naszej planety przez asteroidy i komety, które licznie występowały wówczas w przestrzeni Układu Słonecznego. To właśnie dzięki tzw. Wielkiemu Bombardowaniu, które trwało 300 milionów lat, na Ziemię została sprowadzona woda, która w dużych ilościach występowała w kometach rozbijających się o powierzchnię naszej planety. Jednocześnie wciąż trwająca aktywność wulkaniczna pozwoliła odbudować atmosferę, tym razem zawierającą parę wodną, dwutlenek węgla, azot i śladowe ilości innych gazów. Zakończenie okresu hadeiku datuje się na 3,8 miliarda lat temu, kiedy to zakończyło się Wielkie Bombardowanie poprzez oczyszczenie Układu Słonecznego z większości kosmicznego gruzu przez migrujące na swoje orbity planety gazowe.

Kolejny okres w dziejach Ziemi nazwany został archaikiem. Nasza planeta była już wówczas zimniejsza i niemal w całości pokryta oceanami z nielicznymi wyspami zwanymi kratonami. Poprzez kolejne miliony lat migracje kratonów, jak i aktywność wulkaniczną zaczęły budować się kontynenty, jednocześnie dzięki procesom zachodzącym w jądrze planety około 3,5 miliarda lat temu powstało pole magnetyczne, które chroni nas przed zbyt intensywnym oddziaływaniem wiatru słonecznego. Naładowane  cząstki wiatru słonecznego są bowiem w stanie zerwać z planety jej atmosferę, a bez niej nie byłoby możliwości powstania największego cudu Wszechświata: ŻYCIA.

Nie wiadomo dokładnie kiedy ani w jaki sposób pojawiło się życie na Ziemi, są jednak dowody, że istniało ono na naszej planecie już 3,5 miliarda lat temu. Oczywiście na początku były to tylko bakterie, bardziej złożone organizmy pojawiły się na Ziemi znacznie później. Wracając do powstania życia, obecnie rozważa się dwie hipotezy. Pierwsza zakłada, że życie pojawiło się samoistnie, poprzez stopniowe przekształcanie się związków organicznych w organizmy zdolne do reprodukcji. Zgodnie z tą hipotezą w gorących oceanach młodej Ziemi istniały warunki do tego typu rozwoju, dzięki czemu mogły powstać cząsteczki organiczne takie jak aminokwasy, te zaś mogły łączyć się w cząsteczki zwane replikatorami, które mogły produkować kopie samych siebie. W dzisiejszych organizmach rolę replikatora spełnia kwas deoksyrybonukleinowy, czyli DNA. Według drugiej hipotezy życie nie pojawiło się samoistnie, tylko istniało w kosmosie już wcześniej, a zostało przyniesione podczas Wielkiego Bombardowania wraz z wodą przez komety czy meteory. Jest to możliwe, gdyż niektóre bakterie są w stanie przetrwać w przestrzeni kosmicznej. Niektórzy nawet twierdzą, na podstawie znajdowanych meteorytów, że życie na Ziemi zostało „przetransportowane” z Marsa, a to oznaczałoby, że w rzeczywistości jesteśmy nie Ziemianami, tylko Marsjanami. Obie hipotezy są równie prawdopodobne, zatem rozstrzygnięcia, która jest prawidłowa, być może nigdy jednoznacznie nie uda się uzyskać. Bez względu na to, która hipoteza jest słuszna, życie na naszej planecie istnieje i jak dotąd nie znaleźliśmy żadnego jego śladu w innym miejscu naszego Układu Słonecznego.

Około 2,4 miliarda lat temu życie na Ziemi było już rozpowszechnione, jednak wyłącznie w oceanach. Co prawda nadal były to tylko prymitywne mikroorganizmy, ale w takiej ilości, że były w stanie zmienić atmosferę naszej planety, zmieniając w procesie fotosyntezy dwutlenek węgla w tlen, co pozwoliło na powstanie w górnych warstwach atmosfery ozonu, chroniącego powierzchnię planety przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym Słońca. Dzięki tej ochronie i zwiększającej się ilości tlenu w atmosferze, życie mogło się przenieść się również na powierzchnię planety. Przez niemal 2 miliardy lat życie rozwijało się w niewielkim stopniu, tworząc jedynie proste organizmy wielokomórkowe. Dopiero 600 milionów lat temu pojawiły się pierwsze bezkręgowce, natomiast kręgowce – 80 milionów last później, a 450 milionów lat temu na Ziemi pojawiły się rośliny. Pierwsze ssaki naczelne, a więc nasi praprzodkowie, pojawiły się około 50 milionów lat temu, natomiast ssaki z rodziny człowiekowatych – 2,5 miliona lat temu.

Historia Ziemi jest więc nam znana dość dobrze, aczkolwiek jest jeszcze wiele zagadnień, które nas nurtują i pchają do dalszego rozwoju. W końcu w naturze człowieka leży od zawsze chęć poznawania nowych, nieznanych zjawisk i rzeczy, dzięki czemu możemy poznawać nie tylko otaczający nas świat, ale też to, co jest nad nami…