Нешто је у њима што нас све заинтригира. Многе религије човечанства могу се везати за обожавање ових небеских свећа. За Египћане сунце је представљало Бога Ра-а, који је сваки дан победио у ноћ и уносио светлост и топлину у земље. За Грке, Аполон је возио своју пламену кочија небом, осветљујући свет. Чак се и у хришћанству може рећи да је Исус репрезентативан за сунце с обзиром на упечатљиве карактеристике које његова прича држи са древним астролошким веровањима и бројкама. У ствари, многа древна веровања слиједе сличан пут, који све своје порекло вежу за обожавање сунца и звезда.
Човјечанство је успјело од звијезда на ноћном небу јер су препознали повезаност у обрасцу у којем одређене звијезде (формиране као звијежђа) представљају специфична времена у годишњем циклусу. Једна од њих је значила да ће ускоро постати топлије, што је довело и до садње хране. Остале констелације су предвиђале долазак а
хладнијег периода, па сте могли да започнете са одлагањем хране и скупљањем дрва за огрјев. Крећући се на путу човечанства напред, звезде су тада постале начин за навигацију. Једрење по звијездама био је начин да се кренемо, а своје рано истраживање дугујемо нашим разумијевањима сазвијежђа. Током многих десетина хиљада година које су људске очи гледале према небу, тек недавно смо у потпуности почели да разумемо шта су звезде, одакле долазе и како живе и умиру. О томе ћемо говорити у овом чланку. Пођите са мном док улазимо дубоко у космос и сведочимо како физика пише велико, док покривам како се звезда рађа, живи и на крају умире.
Своје путовање започињемо путовањем у свемир у потрази за нечим посебним. Тражимо јединствену структуру у којој су присутне и праве околности и састојци. Тражимо оно што астроном назива Тамна маглина. Сигуран сам да сте чули за маглице и без сумње сте их видели. Многе невероватне слике које је Хуббле свемирски телескоп добио су прелепи гасни облаци који светлуцају у позадини милијарди звезда. Њихове се боје крећу од дубоких црвених, живахних блуеса, па чак и неких језивих зеленила. Ово није врста маглине коју тражимо. Маглина која нам је потребна је тамна, непрозирна и веома, веома хладна.
Можда се питате за себе: „Зашто тражимо нешто мрачно и хладно кад су звезде ведре и топле?“
Заправо, ово би се у почетку могло чинити загонетно. Зашто нешто прво мора бити хладно да би постало изузетно вруће? Прво морамо покрити нешто елементарно у ономе што називамо међузвездним медијумом (ИСМ) или простором између звезда. Простор није празан као што би му име навело. Простор садржи и гас и прашину. Гас на који углавном мислимо је Водоник, најбројнији елемент у свемиру. Како свемир није једноличан (иста густина гаса и прашине преко сваког кубичног метра), постоје џепови простора који садрже више гаса и прашине од осталих. То узрокује да гравитација манипулира тим џеповима да се споје и формирају оно што ми видимо као маглице. Много ствари улази у стварање ових различитих маглина, али она коју тражимо, Мрачна маглина, поседује врло посебна својства. Сада, заронимо у једну од тих Мрачних маглина и погледајмо шта се догађа.
Док се спуштамо преко спољних слојева ове маглице, примећујемо да је температура гаса и прашине врло ниска. У неким маглицама температуре су веома вруће. Што више честица налети на једну другу, побуђено апсорпцијом и емисијом спољашњег и унутрашњег зрачења, значи и веће температуре. Али у овој Мрачној маглини догађа се супротно. Температуре се смањују све даље у облаку који добијамо. Разлог због којег те Мрачне маглице имају специфична својства која делују на стварању сјајних звјезданих расадника мора се односити на основна својства маглице и тип регије у којем облак постоји, што са њим има неке тешке концепте које нећу у потпуности илустрирати овде. Укључују регион у коме се формирају молекуларни облаци који се називају неутрални водонични региони, а својства ових региона морају да се баве вредностима спина електрона, заједно са интеракцијама магнетног поља које утичу на речене електроне. Особине које ћу покрити су оно што омогућава да се та посебна маглина сазре за стварање звезда.
Искључујући сложену науку која стоји иза стварања ових маглина, можемо почети да се бавимо првим питањем зашто морамо постати хладнији да бисмо постали топлији. Одговор се своди на гравитацију. Када се честице загреју или побуђују, они се брже крећу. Облак са довољно енергије садржаваће превише силе у свакој од честица прашине и гаса да би се појавиле било какве формације. Као у случају, ако се зрно прашине и атоми гаса крећу пребрзо, они ће се једноставно одбити један од другог или ће само пуцати један поред другог, никад не постижући било какву везу. Без ове интеракције никада не можете имати звезду. Међутим, ако су температуре довољно хладне, честице гаса и прашине крећу се толико споро да ће им међусобна гравитација дозволити да се "зближавају". Управо тај процес омогућава протостар да се формира.
Оно што обично даје енергију за брже кретање честица у овим молекуларним облацима је радијација. Наравно, у свако време у свемир долази зрачење из свих праваца. Као што видимо код других маглина, оне светлују енергијом и звезде се не рађају усред ових врућих гасних облака. Они се греју спољашњим зрачењем других звезда и сопственом унутрашњом топлотом. Како ова Тамна маглина спречава да спољно зрачење загрева гас у облаку и натера да се пребрзо креће да би гравитација могла да преузме? Ово је место где
непрозирна природа ових Тамних маглина долази у игру. Непрозирност је мјера колико се свјетлост може кретати кроз објект. Што је више материјала у објекту или што је предмет дебљи, мање је светлости у стању да га пробије. На вишу фреквенцију (Гама зраци, Кс-зраци и УВ), па чак и на видљиве фреквенције више утичу дебели џепови гаса и прашине. Само светла нижих фреквенција, укључујући инфрацрвену, микроталасну и радио таласе, имају било какав успех продора гасних облака попут ових, па чак је и донекле раштркан тако да углавном не садрже готово довољно енергије да почну да нарушавају овај несигурни процес формирања звезда. Тако су унутрашњи делови тамних гасних облака ефикасно „заштићени“ од спољашње радијације која уништава друге, мање непрозирне маглице. Што мање зрачења уђе у облак, ниже су температуре гаса и прашине у њему. Ниже температуре значе мање кретања честица унутар облака, што је кључно за оно о чему ћемо даље расправљати.
Заиста, док се спуштамо према језгри овог тамног молекуларног облака, примећујемо да нам све мање и мање видљиве светлости чини очи, а помоћу посебних филтера можемо видети да је то истина и за друге фреквенције светлости. Као резултат тога, температура облака је веома ниска. Вреди напоменути да процес формирања звезда траје веома дуго, а у интересу да вас стотине хиљада година не држе читати, сада ћемо убрзати време. За неколико хиљада година, гравитација је извукла приличну количину гаса и прашине из околног молекуларног облака, због чега се она скупила. Честице прашине и гаса, још увијек заштићене од вањског зрачења, слободно се природно спајају и "прилијежу" на овим ниским температурама. На крају се почиње догађати нешто занимљиво. Међусобна гравитација ове непрестано растуће кугле од гаса и прашине започиње ефекат снежне кугле (или звезде). Што више слојева гаса и прашине заједно згрушавају, унутрашњост овог протостора постаје гушћа. Ова густина повећава гравитациону силу у близини протостара, повлачећи тако у себе више материјала. Са сваким зрном прашине и атомом водоника који се накупља, притисак у унутрашњости ове кугле гаса расте.
Ако се сећате било чега из било које класе хемије коју сте икада похађали, можда ћете се сетити врло посебног односа притиска и температуре када се бавите гасом. ПВ = нРТ, Идеални закон о гасу, долази у обзир. Искључујући константну скаларну вредност 'н' и плинску константу Р ({8.314 Ј / мол к К}) и решавајући се за температуру (Т), добијамо Т = ПВ, што значи да је температура облака гаса директно пропорционална на притисак. Ако повећате притисак, повећаћете и температуру. Језгра ове ускоро звијезде која борави у овој Мрачној маглици постаје врло густа, а притисак расте. Према ономе што смо управо израчунали, то значи и да температура расте.
Ову маглицу поново разматрамо за следећи корак. Ова маглица има велику количину прашине и гаса (отуда је и непрозирна), што значи да има пуно материјала за храњење нашег протостар. Наставља да вуче гас и прашину из свог окружења и почиње да се загрева. Честице водоника у језгри овог објекта се одбијају тако брзо да испуштају енергију у звезду. Протостар почиње да се загрева и сада светли зрачењем (углавном инфрацрвеним). У овом тренутку, гравитација и даље повлачи више гаса и прашине што додаје притисцима вршеним дубоко у језгри овог протостара. Гас тамне маглице и даље ће се урушавати у себи док се не догоди нешто важно. Када у близини звезде остане готово ништа да падне на њену површину, она почиње да губи енергију (због тога што зрачи као светлост). Када се то догоди, та спољна сила се смањује, а гравитација почиње брже стиснути звезду. Ово увелико повећава притисак у језгри овог протостара. Како притисак расте, температура у језгри достиже вредност која је кључна за процес којем смо сведоци. Језгро протостора постало је толико густо и вруће да достиже отприлике 10 милиона Келвина. Да бисмо то схватили у перспективи, ова температура је отприлике 1700к топлија од површине нашег сунца (око 5800К). Зашто је 10 милиона Келвина толико важно? Јер на тој температури може доћи до термонуклеарне фузије водоника, а када фузија започне, ова новорођена звезда се "укључује" и распрсне се у живот, одашиљући огромне количине енергије у свим правцима.
У језгри је толико вруће да су електрони који зипкају око водоничних протонских језгара одузети (јонизовани), а све што имате су протони који се слободно крећу. Ако температура није довољно топла, ови слободни летећи протони (који имају позитивне набоје) једноставно ће се осврнути један на другог. Међутим, на 10 милиона Келвина, протони се крећу тако брзо да се могу довољно приближити да допусте јакој нуклеарној сили, а када то учине, водикови протони почињу да се међусобно забијају довољно снаге да се споје заједно, стварајући Атоми хелијума и ослобађају пуно енергије у облику зрачења. То је ланчана реакција која се може сажети као 4 протона дајући 1 атом хелија + енергију. Ово спајање је оно што запаљује звезду и узрокује да она "гори". Енергија ослобођена овом реакцијом иде у помоћ другим протоновима водоника да се спајају, а такође обезбеђује енергију да звезда не пропадне на себе. Енергија која се црпи из ове звезде у свим смеровима, долази из језгре, а следећи слојеви ове младе звезде све то топлоту преносе на свој начин (користећи методе зрачења и конвекције у зависности од тога која се звезда родила) .
Оно чему смо сведочили сада, од почетка нашег путовања док смо залазили у ону хладну Мрачну маглу, је рођење младе, вруће звезде. Маглина је штитила ову звезду од зрачења зрачења које би је пореметило овај процес, као и обезбеђивање фригидног окружења које је било потребно гравитацији да би се прихватило и радило о својој магији. Док смо били сведоци протостар форме, можда смо видели и нешто невероватно. Ако је садржај ове маглице тачан, као што је на пример велика количина тешких метала и силиката (преосталих од супернова претходних, масивнијих звезда), оно што бисмо могли да почнемо да би било планетарно стварање које се одвија у акреционом диску материјал око протостар.
Остатак гаса и прашине у близини наше нове звезде почео би да формира густе џепове истим механизмом
гравитација, на крају ће бити у могућности да се додају у протопланете које ће чинити гас или силикати и метал (или комбинација ова два). Како је речено, планетарна формација нам је још увек помало мистерија, јер чини се да ствари још увек не можемо да објаснимо. Али чини се да овај модел формирања звезданог система добро функционише.
Живот звезде није ни приближно узбудљив попут њеног рођења или смрти. Ми ћемо наставити да убрзавамо сат и гледаћемо како се овај звездани систем развија. Током неколико милијарди година, остаци Тамне маглице распуцали су се и формирали су друге звезде попут оне којој смо били сведоци, а она више не постоји. Планете које смо видели настају како је протостар порастао током плесне милијарде година око своје матичне звезде. Можда на једном од ових света, свету који седи на правој удаљености од звезде, постоји течна вода. Унутар те воде налазе се аминокиселине потребне за протеине (све састављене од елемената који су преостали од претходних ерупција звијезда). Ови протеини су у стању да се повежу и започну да формирају РНА ланце, затим ДНК ланце. Можда у једном тренутку, неколико милијарди година након што се звезда родила, видимо како се свемирска врста лансира у космос, или они то никада из различитих разлога не постижу и остају везани за планету. Наравно, ово је само спекулација за наше забаве. Међутим, сада смо на крају нашег пута који је започео пре неколико милијарди година. Звезда почиње да умире.
Водоник у својој језгри се топи у хелијум, који с временом троши водоник; звезди је понестало горива. После многих година, процес фузије водоника почиње да престаје и звезда троши све мање и мање енергије. Овај недостатак спољног притиска из процеса фузије надокнађује оно што називамо хидростатичком равнотежом и омогућава да гравитација (која увек покушава да разбије звезду) победи. Звезда почиње да се смањује под својом тежином. Али, како смо раније расправљали, како се притисак повећава, тако и температура. Сав онај хелијум који је остао
од милијарде година фузија водоника сада почиње да се загрева у језгри. Хелијум се спаја на знатно топлијој температури од водоника, што значи да језгро богато хелијем може гравитацијом да се притисне према унутра, без топљења (још). Будући да се фузија не одвија у језгру хелијума, мало је спољашње силе (која се даје фузијом) мало да се спречи распадање језгра. Ова материја постаје много гушћа, што сада називамо дегенерираном и избацује огромне количине топлоте (гравитациона енергија постаје термална енергија). То доводи до спајања преосталог водоника који се налази у следећим слојевима изнад језгре хелијума, што узрокује да се звезда увелико шири пошто ова водонична љуска излази ван контроле. Због тога се звезда „опоравља“ и брзо се шири; више енергетске фузије из водоничних шкољки изван језгре, што знатно повећава пречник звезде. Наша звезда је сада црвени див. Неке, ако не и све унутрашње планете којима смо били сведоци биће спаљене и прогутане од звезде која им је прва дала живот. Да се догодило иједан живот на некој од планета који нису успели да напусте свој матични свет, они би сигурно били избрисани из свемира, о којима никада није било познато.
Овај процес звезди понестане горива (прво водоник, затим хелијум, итд ...) трајаће неко време. На крају ће хелијум у језгру достићи одређену температуру и почети да се стапа са Угљеником, што ће зауставити колапс (и смрт) звезде. Звезда коју тренутно гледамо уживо и умире је главна секвенца средње величине, тако да се њен живот завршава када заврши спајањем Хелијума у
Царбон. Да је звезда била много већа, процес фузије би се одвијао све док нисмо стигли до Гвожђа. Гвожђе је елемент у којем се фузија не одвија спонтано, што значи да му је потребно више енергије да се топи, него што се након фузије даје. Међутим, наша звезда никада неће доспети до Гвожђа у свом језгру, и тако је умрла након што је исцрпила резервоар Хелијум. Када се процес фузије коначно "искључи" (без гаса), звезда се полако почиње хладити, а спољни слојеви звезде се шире и избацују у простор. Накнадна избацивања звезданог материјала настају у стварању онога што називамо планетарном маглом, а све што је остало од некада сјајне звезде коју смо гледали како пролеће постоји, сада је само кугла густе угљенице која ће се хладити целом вечношћу, вероватно кристалишући у дијамант.
Смрт којој смо били сведоци управо није једини начин на који звезда умире. Ако је звезда довољно велика, њена смрт је много насилнија. Звезда ће еруптирати у највећој експлозији у свемиру, која се зове супернова. У зависности од многих променљивих, остатак звезде могао би завршити као неутронска звезда, или чак црна рупа. Али за већину онога што зовемо звезде главних секвенци, смрт којој смо били сведоци биће њихова судбина.
Наше путовање завршава тако што размишљамо о ономе што смо приметили. Видети шта природа може учинити у правим околностима и посматрајући облак веома хладног гаса и прашине претвара се у нешто што има потенцијал да удахне живот космосу. Наши умови лутају назад оним врстама које би могле еволуирати на једној од тих планета. Размишљате о томе како су можда прошли фазе сличне нама. Вероватно користећи звезде као натприродна божанства која су управљала својим веровањима хиљадама година, замењујући одговоре на месту где је владало њихово незнање. Ова веровања би се евентуално могла претворити у религије, још увек схватајући тај појам посебне селекције и величанствене мисли. Да ли би звезде подстакле њихову жељу да разумеју универзум као што су то чиниле звезде за нас? Ваш ум тада размишља о томе каква ће бити наша судбина ако не покушамо да учинимо следећи корак у свемир. Морамо ли дозволити да се наша врста избрише из космоса док се наша звезда шири у смрти? Ово путовање које сте управо упутили у срце Мрачне маглице заиста илуструје шта људски ум може да учини и показује вам колико смо далеко дошли иако смо још увек везани за наш сунчев систем. Ствари које сте научили пронашли су и други попут вас да једноставно питају како се ствари одвијају и затим доводе до пуне тежине нашег знања из физике. Замислите шта можемо постићи ако наставимо овај процес; у стању да у потпуности достигнемо своје место међу звездама.
