Naše nebo je obsijano v morju zvezdnih duhov; vsi potencialni fantomi, ki so že milijoni let mrtvi, pa tega še ne vemo. O tem bomo razpravljali danes. Kaj se zgodi z največjimi našimi zvezdami in kako to vpliva na sam sestav vesolja, v katerem prebivamo.
To pot začnemo z opazovanjem rakove meglice. Njegove čudovite barve segajo navzven v temno praznino; nebesna grobnica z nasilnim dogodkom, ki se je zgodil pred tisočletji. Potegnete ven in s tremi zapestja začnete previjati čas in gledate, kako se te čudovite meglice začnejo krčiti. Ko se ura vrti nazaj, se barve meglice začnejo spreminjati, in opaziš, da se krčijo na eno samo točko. Ko se koledar približa 5. julija 1054, se plinasti oblak posvetli in se usede na eno samo točko na nebu, ki je svetla kot polna luna in je vidna čez dan. Svetlost zbledi in na koncu je tam ležala luč; zvezda, ki je danes ne vidimo. Ta zvezda je umrla, vendar tega v tem trenutku ne bi vedeli. Opazovalcu pred tem datumom se je ta zvezda zdela večna, tako kot vse ostale zvezde. Kakor vemo iz našega privilegiranega vidika, bo ta zvezda kmalu postala supernova in rodila eno najbolj spektakularnih meglic, ki jih opazujemo danes.
Zvezdni duhovi so primeren način opisovanja številnih zvezd, ki jih vidimo raztresene po vesolju. Mnogi se ne zavedajo, da ko gledamo globoko v vesolje, ne samo gledamo na velike razdalje, ampak se oziramo nazaj v čas. Ena temeljnih lastnosti vesolja, ki jo precej dobro poznamo, je, da svetloba potuje s končno hitrostjo: približno 300.000.000 m / s (približno 671.000.000 mph). Ta hitrost je bila določena s številnimi strogimi testi in fizičnimi dokazi. Pravzaprav je razumevanje te temeljne konstante ključnega pomena za veliko tistega, kar vemo o vesolju, zlasti glede splošne relativnosti in kvantne mehanike. Kljub temu je poznavanje hitrosti svetlobe ključno za razumevanje, kaj mislim pod zvezdnatimi duhovi. Vidite, informacije se premikajo s svetlobno hitrostjo. Uporabljamo svetlobo zvezd, da jih opazujemo in iz tega razumemo, kako delujejo.
Dober primer tega časovnega zamika je naše sonce. Naše sonce je oddaljeno približno 8 svetlobnih minut. To pomeni, da svetloba, ki jo vidimo od naše zvezde, traja 8 minut, da pot od njene površine do naših oči na zemlji. Če bi naše sonce takoj nenadoma izginilo, o tem ne bi vedeli 8 minut; to ne vključuje samo svetlobe, ki jo vidimo, ampak celo njen gravitacijski vpliv, ki deluje na nas. Če bi sonce ravno zdaj izginilo, bi nadaljevali v svoji orbitalni poti okoli naše zdaj neobstoječe zvezde še 8 minut, preden so nas dosegle gravitacijske informacije, ki bi nas obvestile, da nismo več gravitacijsko vezani nanjo. To določa našo kozmično omejitev hitrosti za hitrost prejemanja informacij, kar pomeni, da vse, kar opazimo globoko v vesolju, prihaja do nas, kot je bilo to pred leti velikost x, kjer je 'x' njegova svetlobna razdalja od nas. To pomeni, da opazujemo zvezdo, ki je od nas oddaljena 10 svetlobnih let, kot je bila pred 10 leti. Če bi ta zvezda umrla ravno zdaj, še 10 let ne bi vedeli o njej. Tako ga lahko opredelimo kot "zvezdni duh"; zvezda, ki je mrtva z vidika na svoji lokaciji, vendar še vedno živa in zdrava pri nas.
Kot smo opisali v prejšnjem članku (Zvezde: Dan v življenju), je evolucija zvezde kompleksna in zelo dinamična. Številni dejavniki igrajo pomembno vlogo pri vsem, od določitve, ali se bo zvezda sploh oblikovala, do velikosti in s tem življenjske dobe zvezde. V prejšnjem članku zgoraj omenjam osnove tvorjenja zvezd in življenje tistega, čemur pravimo glavne zaporedne zvezde, oziroma zvezde, ki so zelo podobne lastnemu soncu. Medtem ko sta postopek tvorbe in življenje glavne zaporedne zvezde in zvezde, o katerih bomo razpravljali, precej podobna, obstajajo pomembne razlike v načinu umiranja zvezd, ki jih bomo preiskovali. Smrti glavnih zaporednih zvezd so zanimive, vendar se komajda primerjajo z načini upogibanja v času, ki jih te večje zvezde prenehajo.
Kot že omenjeno, ko smo opazovali že davno zvezdo, ki je ležala v središču rakove meglice, je bila točka, v kateri je ta predmet žarel tako svetlo kot polna luna in ga je bilo mogoče videti čez dan. Kaj bi lahko povzročilo, da bi nekaj postalo tako svetlo, da bi bilo primerljivo z našim najbližjim nebesnim sosedom? Glede na to, da je rakova meglica oddaljena 6.523 svetlobnih let, je to pomenilo, da je nekaj, kar je približno 153 milijard krat dlje od naše lune, svetil tako svetlo kot luna. To je bilo zato, ker je zvezda, ko je umrla, postala supernova, kar je usoda zvezd, ki so veliko večje od našega sonca. Zvezde, večje od našega sonca, se bodo ob njegovi smrti končale v dveh zelo ekstremnih stanjih: nevtronske zvezde in črne luknje. Obe sta vredni temi, ki bi lahko trajale tedne na tečaju astrofizike, vendar bomo danes preprosto preučili, kako se te gravitacijske pošasti oblikujejo in kaj to pomeni za nas.
Življenje zvezde je zgodba o skoraj bežnem zlitju, ki ga vsebuje lastna gravitacijska prisotnost. Temu rečemo hidrostatično ravnotežje, pri katerem je zunanji tlak taljelnih elementov v jedru zvezde enak tistemu, ki se uporablja zaradi gravitacijske mase, ki deluje navznoter. V jedru vseh zvezd se vodik (sprva) zliva v helij. Ta vodik je prišel iz meglice, iz katere se je rodila zvezda, ki se je združila in strmoglavila, kar je zvezdi dalo prvo priložnost v življenju. V celotni življenjski dobi zvezde se bo porabljal vodik, v središču zvezde pa se bo kondenziral vse več helijevega „pepela“. Sčasoma bo zvezdi zmanjkalo vodika in fuzija se bo za kratek čas ustavila. Pomanjkanje zunanjega tlaka zaradi nenadne fuzije začasno omogoča gravitaciji zmago in zdrobi zvezdo navzdol. Ko se zvezda krči, se gostota in s tem tudi temperatura v jedru zvezde povečuje. Sčasoma doseže določeno temperaturo in helijev pepel se začne topiti. Tako se vse zvezde odvijajo skozi glavni del svojega življenja in v prvih fazah njegove smrti. Vendar tu ležijo zvezde velikosti sonca in masivne zvezde, o katerih razpravljamo o delnih poteh.
Zvezda, ki je približno blizu velikosti našega lastnega sonca, bo šla skozi ta postopek, dokler ne doseže ogljika. Zvezde takšne velikosti preprosto niso dovolj velike, da bi lahko zlivale ogljik. Tako, ko je ves helij zlit v kisik in ogljik (prek dveh procesov, ki sta tukaj preveč zapletena), zvezda ne more »zdrobiti« kisika in ogljika, da bi se začela zliti, gravitacija zmaga in zvezda umre. Toda zvezde, ki imajo dovolj večjo maso kot naše sonce (približno 7x masa), lahko nadaljujejo mimo teh elementov in še naprej svetijo. Imajo dovolj mase, da nadaljujejo ta postopek "drobljenja in taljenja", ki je dinamična interakcija v središču teh nebesnih peči.
Te večje zvezde bodo nadaljevale proces zlivanja mimo ogljika in kisika, mimo silicija, vse dokler ne dosežejo železa. Železo je smrtna nota, ki jo prepevajo ti utripajoči behemoti. Ko je železo začelo polniti njihovo zdaj umirajoče jedro, je zvezda v smrtnih metanjih. Toda te masivne strukture energije ne gredo tiho v noč. Izidejo na najbolj spektakularne načine. Ko se zadnji od neželeznih elementov zlije v svojih jedrih, zvezda začne dostojno v pozabo. Zvezda se zaletava vase, saj nima nobene možnosti, da bi preprečila neprepustni oprijem gravitacije in zrušila naslednje plasti elementov, ki so ostali od njene življenjske dobe. Ta notranji prosti padec je dosežen v določeni velikosti z nemogočo silo za preboj; tlak degeneracije nevtrona, ki sili zvezdo, da se odbije navzven. Ta ogromna količina gravitacijske in kinetične energije se razmahne s besom, ki osvetli vesolje, v trenutku zasenči cele galaksije. Ta bes je življenjska kri kozmosa; boben bije v simfonični galaktiki, saj ta intenzivna energija omogoča zlivanje elementov, težjih od železa, vse do urana. Te nove elemente ta neverjetna sila razstreli navzven, ko plovi valove energije, ki jih vrže globoko v vesolje, seja vesolje z vsemi elementi, ki jih poznamo.
Toda kaj je ostalo? Kaj je po tem spektakularnem dogodku? Vse je spet odvisno od mase zvezde. Kot smo že omenili, sta dve obliki mrtve masivne zvezde bodisi nevtronska zvezda bodisi črna luknja. Za nevtronsko zvezdo je formacija precej zapletena. V bistvu se dogodki, ki sem jih opisal, zgodijo, razen po nadnavljanju, ki je vse ostalo, je kroglica izrojenih nevtronov. Izrojeno je preprosto izraz, ki ga uporabljamo za obliko, ki jo zadeva, ko jo stisnemo do meja, ki jih omogoča fizika. Nekaj degeneriranega je intenzivno gosto, kar velja za nevtronsko zvezdo. Morda ste slišali, da čajna žlička materiala nevtronske zvezde tehta približno 10 milijonov ton in ima hitrost pobega (hitrost, ki je potrebna, da se umaknete od gravitacijskega vleka) s približno .4c ali 40% hitrosti svetlobe. Včasih se nevtronska zvezda vrti z neverjetnimi hitrostmi in jih označimo kot pulsarje; ime izhaja iz tega, kako jih zaznamo.
Te vrste zvezd ustvarjajo veliko sevanja. Nevtronske zvezde imajo ogromno magnetno polje. To polje pospešuje elektrone v svojih zvezdnih atmosferah do neverjetnih hitrosti. Ti elektroni sledijo črtam magnetnega polja nevtronske zvezde do njenih polov, kjer lahko sproščajo radijske valove, X-žarke in gama žarke (odvisno od vrste nevtronske zvezde). Ker se ta energija koncentrira do polov, ustvarja nekakšen učinek svetilnika z visoko energijskimi žarki, ki delujejo kot žarki svetlobe iz svetilnika. Ko se zvezda vrti, se ti prameni pometajo velikokrat na sekundo. Če se Zemlja in s tem naša opazovalna oprema ugodno orientirata s tem pulsarjem, bomo te »impulze« energije zabeležili, ko bodo zvezde prameni nad nama. Za vse pulzare, o katerih vemo, smo veliko predaleč, da bi nas ti žarki energije poškodovali. Toda če bi bili blizu ene od teh mrtvih zvezd, bi to radiacijsko pranje nad našim planetom neprestano povzročilo določeno izumrtje za življenje, kot ga poznamo.
Kakšno drugo obliko ima mrtva zvezda; črna luknja? Kako to pride? Če je degenerirani material, kolikor lahko drobimo zadevo, kako se pojavi črna luknja? Preprosto povedano, črne luknje so posledica nepredstavljivo velike zvezde in s tem resnično ogromne količine snovi, ki je sposobna "razbiti" ta degeneracijski pritisk nevtronov ob propadu. Zvezda v bistvu pade navznoter s tako silo, da prekrši to navidezno fizično mejo, se obrne vase in zavije vesolje v točko neskončne gostote; posebnost. Ta neverjeten dogodek se zgodi, ko ima zvezda približno 18-kratno količino mase, ki jo ima naše sonce, in ko umre, je resnično vzorec fizike, ki je šel do skrajnosti. Ta "dodatni košček mase" je tisto, kar mu omogoča, da zruši to žogo izrojenih nevtronov in pade proti neskončnosti. Tako grozljivo in lepo je razmišljati; točka v vesoljskem času, ki je v celoti ne razume naša fizika, in vendar nekaj, kar vemo, obstaja. Resnično izjemna stvar pri črnih luknjah je, da je kot vesolje, ki deluje proti nam. Informacije, ki jih potrebujemo za popolno razumevanje procesov v črni luknji, so zaklenjene za tančico, ki ji rečemo obzorje dogodkov. To je točka vračanja za črno luknjo, za katero ničesar, kar je zunaj te točke v vesolju, nima prihodnjih poti, ki bi vodile ven. Na tej razdalji od strnjene zvezde v njenem jedru ne uide nič, niti svetloba, zato nobena informacija nikoli ne zapusti te meje (vsaj ne v obliki, ki jo lahko uporabimo). Temno srce tega resnično osupljivega predmeta pušča veliko želenega in nas izkuša, da prestopimo v njegovo kraljestvo, da bi poskusili in spoznali neznano; dojeti plod z drevesa znanja.
Zdaj je treba reči, da je s temi črnimi luknjami do danes veliko. Fiziki, kot je profesor Stephen Hawking, med drugim neumorno delajo na teoretični fiziki za tem, kako deluje črna luknja, in poskušali razrešiti paradokse, ki se pogosto pojavljajo, ko poskušamo proti njim izkoristiti najboljše naše fizike. Obstaja veliko člankov in prispevkov o takih raziskavah in njihovih poznejših ugotovitvah, zato se ne bom potopil v njihove podrobnosti, tako da bi želeli ohraniti preprostost v razumevanju in tudi ne odvzeti neverjetnih umov, ki te teme obravnavajo. Mnogi predlagajo, da je singularnost matematična radovednost, ki ne predstavlja popolnoma, kaj se fizično dogaja. Da lahko zadeva znotraj obzorja dogodkov dobi nove in eksotične oblike. Prav tako je treba opozoriti, da se v splošni relativnosti lahko karkoli z maso zruši v črno luknjo, vendar se na splošno držimo množice množic, saj ustvarimo črno luknjo s čim manj, kot je v tem masnem razponu, ne moremo razumeti, kako to bi se lahko zgodilo. Toda kot nekdo, ki študira fiziko, bi mi bilo zavračati, da ne omenjam, da smo od zdaj na zanimivem preseku idej, ki se zelo tesno ukvarjajo s tem, kar se dejansko dogaja v teh gravitacijah.
Vse to me vrne do točke, ki jo je treba narediti. Dejstvo, ki ga je treba priznati. Ko sem opisoval smrt teh množičnih zvezd, sem se dotaknil nečesa, kar se zgodi. Ko se zvezda odtrga od lastne energije in se njena vsebina odpihne navzven v vesolje, se zgodi nekaj, kar imenujemo nukleosinteza. To je zlitje elementov za ustvarjanje novih elementov. Od vodika do urana. Ti novi elementi se odpihujejo navzven z neverjetno hitrostjo in tako bodo vsi ti elementi sčasoma našli svojo pot v molekularne oblake. Molekularni oblaki (temne meglice) so zvezdne drevesnice kozmosa. Tu se začnejo zvezde. In od nastanka zvezd dobimo planetarno tvorbo.
Ko se zvezda oblikuje, se okoli nje začne vrteti oblak naplavin, sestavljen iz molekularnega oblaka, ki je rodil omenjeno zvezdo. Ta oblak, kot zdaj vemo, vsebuje vse tiste elemente, ki so bili kuhani v naših supernovah. Ogljik, kisik, silikati, srebro, zlato; vsi prisotni v tem oblaku. Ta akrecijski disk o tej novi zvezdi je tam, kjer se iz tega obogatenega okolja tvorijo planeti. Kroglice kamna in leda se trčijo, prikrajšajo, raztrgajo in nato reformirajo, ko gravitacija dela svoje prizadevne roke, da te nove svetove oblikuje v možne otoke. Ti planeti so nastali iz tistih istih elementov, ki so bili sintetizirani v tej kataklizmični erupciji. Ti novi svetovi vsebujejo načrte za življenje, kot ga poznamo.
Na enem od teh svetov nastane določena mešanica vodika in kisika. Znotraj te mešanice se določeni ogljikovi atomi oblikujejo, da ustvarijo replicirajoče se verige, ki sledijo preprostemu vzorcu. Morda se po več milijard letih ti isti elementi, ki jih je ta umirajoča zvezda potisnila v vesolje, najdejo življenje nečemu, kar lahko pogleda in ceni veličanstvo, ki je kozmos. Mogoče ima nekaj inteligence, da spozna, da je atom ogljika znotraj njega isti ogljikov atom, ki je nastal v umirajoči zvezdi, in da se je zgodila supernova, ki je omogočila, da je atom ogljika našel pot v pravi del vesolja na pravi čas Energija, ki je bila zadnji umirajoči že davno mrtvi zvezdi, je bila enaka energija, ki je omogočila, da je življenje zajelo prvi vdih in pogled na zvezde. Ti zvezdni duhovi so naši predniki. So v obliki, vendar še vedno ostajajo v našem kemijskem spominu. Obstajajo znotraj nas. Mi smo supernova. Zvezdni prah smo. Izhajamo iz zvezdnih duhov ...
