Ewolucja gwiazd

Artykuł opisuje ewolucję gwiazd, czyli proces tworzenia, życia i umierania gwiazd. W astronomii przez ewolucję gwiazdy rozumiemy sekwencje zmian jaką gwiazda przechodzi podczas swego życia, w ciągu milionów czy miliardów lat emitując promieniowanie.

Ewolucja gwiazdy nie jest obserwowana bezpośrednio, odbywa się ona bardzo wolno. Zamiast tego astronomowie obserwują wiele gwiazd na różnym etapie ich życia i dokonują symulacji komputerowych pozwalających poznać budowę gwiazdy. Dane obserwacyjne jasności gwiazd w przeszłości (znane w kilkudziesięciu przypadkach) umożliwiają określenie czasu od wybuchu na tej gwieździe)

Narodziny gwiazdy

Gwiazda powstaje z obłoku pyłu i gazu, gdy w pewnym obszarze przestrzeni powstanie zagęszczenie obłoku pyłowo-gazowego. Ewolucja gwiazdy zaczyna się od gigantycznego obłoku molekularnego (ciemne mgławice, ang. Giant Molecular Cloud - GMC). Pusta przestrzeń wewnątrz galaktyki zawiera około 0.1 do 1 cząstek w cm³; wewnątrz GMC, typowa gęstość to kilka milionów cząstek na cm³. Masa GMC wynosi od 100,000 do 10,000,000 mas Słońca w rozmiarze obłoku rzędu od 50 do 300 lat świetlnych.

Triangulum.jpg

Obłoki pyłowo-gazowe wypełniające galaktyki mogą zagęszczać się w wyniku lokalnej fluktuacji gęstości ale częściej dochodzi do zagęszczenia w wyniku "zderzenia" dwóch obłoków. Inicjatorem zagęszczania się materii obłoku może być silne promieniowanie elektromagnetyczne będące wynikiem wybuchu innej gwiazdy, powoduje ono ruch cząsteczek obłoku od jednej strony tworząc linowy wzrost zagęszczenia. Stopniowo obłok ten zaczyna się zapadać pod wpływem grawitacji. Kolapsujący obłok fragmentuje na mniejsze obłoki. Obłoki o masie około 50 mas Słońca mogą tworzyć pojedynczą gwiazdę. W tych obłokach gaz się rozgrzewa kosztem energii potencjalnej i obłok staje się sferyczą obracającą się protogwiazdą. W początkowym stadium protogwiazda jest ukryta wewnątrz gęstego obłoku gazu i pyłu. Czasami widać sylwetkę takiego kokonu na tle silnie emitującego gazu (mgławice Boka).

W wyniku zapadania grawitacyjnego obłoku rośnie gęstość i temperatura. Jeżeli jest wystarczająco masywny, po odpowiednim wzroście temperatury (do około 15 mln K) w jego wnętrzu rozpoczynają się procesy syntezy jądrowej i rodzi się nowa gwiazda.

Dla niektórych protogwiazd masa jest zbyt niska by mogły się zacząć reakcje syntezy jądrowej (m<0.075 masy Słońca). Taka protogwiazda nazywana brązowym karłem (scieżka 1) umiera wolno ochładzając się (wypromieniowując energię) w ciągu setek milionów lat.

Fizyczne podstawy ewolucji gwiazd

Synteza termojądrowa dostarcza energii, która rozgrzewa gwiazdę. O szybkości przebiegu syntezy jąder atomów wodoru w hel decyduje prędkość zderzających się cząstek (czyli temperatura gazu) oraz liczba zderzeń (czyli gęstość a pośrednio ciśnienie gazu). Przyciąganie grawitacyjne zewnętrznych mas gwiazdy wywołuje ciśnienie, które nie dopuszcza do rozproszenia się cząsteczek gazu, w stanie stabilnym jest ono od wewnątrz równoważone przez ciśnienie rozgrzanego gazu.

Równowaga w gwieździe jest dynamiczna a jej warunki zmieniają się w miarę upływu czasu. Wzrost energii wydzielającej się w centrum gwiazdy powoduje wzrost temperatury, powoduje rozprężanie się gazu, które skutkuje zmniejszeniem się liczby zderzajacych się cząsteczek i zmniejszeniem się szybkości reakcji termojądrowych, co powoduje zmniejszenie temperatury itd. Zmiany mogą być powolne, ale mogą też być w pewnych obszarach gwiazdy gwałtowne, co obserwujemy pośrednio jako rozbłyski na Słońcu. Ale globalnie gwiazda jest stabilna przez dłuższy czas.

Stan gazu w wybranym obszarze gwiazdy możemy opisywać jako równanie stanu gazu. Ciśnienie panujące w danej odległości od środka gwiazdy zależy od ciśnienia wytworzonego przez zewnętzne warstwy gwiazdy przyciągane przez wewnętrzne warstwy gwiazdy (podobnie jak ciśnienie atmosferyczne Ziemi), a te zależa od masy gwiazdy. W danej temperaturze ciśnienie wpływa na liczbę cząsteczek w danej objętości czyli na szybkośc reakcji termojądrowej.

Energia powstająca w centrum gwiazdy jest przenoszona na zewnątrz w wyniku promieniowania wysokoenergetycznego, promieniowania cieplnego, konwekcji i przewodnictwa cieplnego. Na ruch zjonizowanych cząstek ma wpływ pole magnetyczne gwiazdy i odwrotnie ruch zjonizowanych cząstek wywołuje pole magnetyczne. W miarę wypalania się lekkich pierwiastków wzrasta udział cięższych pierwiastków, wzrasta przyciaganie ich przez grawitację gwiazdy, spada jednocześnie przewodnictwo cieplne gazu. W wyniku czego wnętrze gwiazdy nagrzewa się jeszcze bardziej a proces syntezy termojadrowej przestaje być stabilny. By wyjaśnić wiele zjawisk zachodzących w gwieździe nie można poprzestać na wyżej przedstawionym układzie statycznym, trzeba rozpatrywać gwiazdy (szczególnie w niektórych etapach jej ewolucji) jako dynamiczną strukturę targaną wybuchami lokalnymi a także potężnymi wybuchami globalnymi zmieniającymi gwiazdę, gwiazda w takim globalnym wybuchu wyrzuca w przestrzeń swoją otoczkę, której część ucieka w przestrzeń, ale część powraca wywołując wzrost ciśnienia w gwieździe. W ten sposób powstają pierścienie mgławic protoplanetrnych. Jeżeli gwiazda obraca się szybko jej promień biegunowy jest mniejszy niż promień równikowy, wzrost temperatury wybuchu szybciej i intensywniej przebije się na na biegunach niż na równiku, w wyniku czego wyrzucowny pierścień mgławicy będzie owalny i szybszy na biegunach.

Ewolucja gwiazdy zależy głównie od masy zapadajacego się obłoku. Powyższa ilustracja przedstawia ewolucję gwiazdy w zależności od jej masy. Słońce należy do trzeciego rzędu od dołu, obecny stan to ta żółta gwiazda.

protogwiazda → błękitny nadolbrzym → czarna dziura
protogwiazda → błękitny nadolbrzym → supernowa → czarna dziura
protogwiazda → błękitny nadolbrzym → czerwony olbrzym → supernowa → gwiazda neutronowa
protogwiazda → gwiazda ciągu głównego typu naszego Słońca → czerwony olbrzym → mgławica planetarna → biały karzeł → czarny karzeł*
protogwiazda → czerwony karzeł → czarny karzeł*
protogwiazda → brązowy karzeł → czarny karzeł*

*Wszechświat istnieje zbyt krótko, by jakiekolwiek czarne karły zdążyły powstać

Okres dojrzały

DiagramHR.jpg Gwiazdy osiągają przeróżne wielkości i kolory – największe nadolbrzymy (np. Betelgeza) osiągają rozmiary kilkaset razy większe od Słońca. Ich kolor zależy od temperatury powierzchni.

Poszczególne typy gwiazd przedstawia diagram Hertzsprunga-Russella. Miejsce gwiazdy na diagramie zależy od jej temperatury (czyli barwy jej światła) oraz jasności absolutnej (nie tej którą widzimy ale takiej jakby wszystkie były w takiej samej odległości od nas). W trakcie ewolucji gwiazda będzie się po nim przemieszczała przez okres od kilku milionów (największe i najgorętsze gwiazdy), miliardów (gwiazdy o średniej masie, np. Słońce, ścieżka 3) do dziesiątków miliardów lat (czerwone karły), wypalając większość wodoru z jądra.

Czerwone karły (ścieżka 2) są najmniejszymi, najwolniej ewoluujacymi gwiazdami, czyli ciałami w których zachodzi synteza termojądrowa. Gęstość i temperatura w nich wnętrzu sprawia że wodór zamienia się w hel bardzo powoli a jest zbyt niska by dalej mogła nastapić synteza helu. Najbliższa nam Proxima Centauri jest czerwonym karłem.

Po milionach lub miliardach lat, w zależności od masy początkowej, w jądrze gwiazdy zaczyna kończyć się wodór. Spowalniane są reakcje jądrowe i tworzone są coraz bardziej masywne pierwiastki wskutek czego rośnie gęstość gwiazdy, może ona zająć mniejszą objętość spada też przewodnictwo cieplne gazu. W wyniku czego spada temperatura powierzchni ale rośnie temperatura wnętrza, wskutek czego zapadają się zewnętrzne warstwy materii (tak jak w czasie zagęszczania się obłoku gazowo-pyłowego na początku ewolucji gwiazdy). Temperatura gwiazdy nagle wzrasta, zewnętrzne warstwy są znów wypychane i gwiazda rośnie do rozmiarów jakich nigdy wcześniej w czasie swej ewolucji nie przyjmowała. Staje się czerwonym olbrzymem. Proces zapadania nie jest stabilny i dlatego prawie wszystkie czerwone olbrzymy są gwiazdami zmiennymi.

Starość gwiazd

Dalszy los gwiazdy jest ściśle związany z jej masą. NGC6543.jpg utworzona przez gwiazdę o masie Słońca]] Nasze zrozumienie tego, co spotyka gwiazdę o małej masie kiedy już wyczerpie cały zapas paliwa wodorowego jest o tyle nikłe, że nikt jeszcze czegoś takiego nie zaobserwował. Wszechświat ma około 13 miliardów lat, a to mniej niż oczekiwany czas życia tych gwiazd. Stąd nasze teorie o tym, co dzieje się dalej z taką gwiazdą opierają się głównie na symulacjach komputerowych.

Gwiazda o masie mniejszej niż połowa masy Słońca nigdy nie będzie w stanie dokonać dalszej syntezy z helu, nawet gdy w jądrze zakończy sie już synteza helu z wodoru. Powodem tego jest nikła masa gwiazdy, która nie pozwala jej wywrzeć wystarczająco dużego ciśnienia na jądro. Te gwiazdy to czerwone karły, takie jak np. Proxima Centauri i żyją one przez setki miliardów lat. Wszechświat jest wciąż za młody, aby któraś z tych gwiazd mogła już wyczerpać całe swoje paliwo.

Może się zdarzyć, że "ciężka-lekka" gwiazda (mająca około 0,3 masy Słońca) będzie dokonywała fuzji helu tylko w gorących częściach swojego jądra. Będzie to niestabilna i nierówno zachodząca reakcja, produkująca duży wiatr gwiazdowy. Gwiazda nie przekształci się w mgławicę planetarną, ale najzwyczajniej wyparuje i stanie się niczym wiecej jak brązowym karłem.

Gwiazdy o niższych masach najprawdopodobniej powoli staną się brązowymi karłami. Z wypalonymi jądrami będą świecić słabo w zakresie podczerwieni i mikrofal. Wszystko to jest oczywiście spekulacją, ponieważ żaden brązowy karzeł nie może powstać przez wiele miliardów lat.

Kiedy gwiazda średniej wielkości (ścieżka 3) osiągnie fazę czerwonego olbrzyma, jej zewnętrzne warstwy ekspandują a jądro zapada się do środka. W jego wnętrzu zachodzi synteza atomów helu w węgiel. Synteza ta uwalnia energię i gwiazda ma "chwilę oddechu". Jednakże, w gwieździe wielkości Słońca proces ten może zająć tylko parę minut! Struktura atomowa węgla jest zbyt mocna, by być dalej ściskana przez otaczającą go materię. Jądro staje się stabilne i koniec gwiazdy jest blisko.

NGC7009.jpg Gwiazda rozpocznie teraz odrzucać swoje zewnętrzne warstwy, które utworzą rozmytą chmurę nazywaną mgławicą planetarną. Pod koniec pozostanie już tylko 20% początkowej masy gwiazdy, a gwiazda spędzi resztę swoich dni na stopniowym ochładzaniu się i kurczeniu, aż osiągnie średnicę zaledwie kilku tysięcy mil. Stanie się białym karłem. Węglowe jądro zapada się, a zewnętrzne warstwy uciekają w przestrzeń. Gwiazda dogorywa jako biały karzeł w którym ustały już reakcje syntezy termojadrowej.

Ewolucja supermasywnych gwiazd

Ewolucja gwiazd bardziej masywnych (więcej niz 5 mas Słońca) poprzez stadium błękitnego olbrzyma czy błękitnego nadolbrzyma (ścieżka 4-6) może prowadzić do stadium czerwonego nadolbrzyma. Budowa bardzo masywnych gwiazd ma strukturę warstwową, na różnych głębokościach odbywa się synteza kolejnych, coraz cięższych jąder. Dostarcza to coraz mniej energii. Reakcje pierwiastków cięższych od żelaza ( ${}^{56}Fe$ ) pochłaniają energię. Zmniejsza się ciśnienie i grawitacja zaczyna przeważać - jądro gwiazdy zaczyna się kurczyć. Zapadające się zewnetrzne warstwy zaczynają się odbijać od gęstniejącego jądra gwiazdy. W gęstniejącym i gorącym jądrze następuje wychwyt elektronów przez protony - powstawanie neutronów i neutrin (gwiazda protoneutronowa). Neutrina przedostając się przed spadającą materię wywołują reakcje syntezy cięższch jader niż jądro Fe. Bez wybuchów supernowych żadne cięższe niż żelazo pierwiastki nie mogłyby istnieć. Propagująca się ku powierzchi fala szoku wraz z neutrinami rozpędza materię na zewnątrz gwiazdy. Materia ta może później utworzyć następne gwiazdy czy liczne planety. Mechanizm wybuchu supernowej nie został jeszcze dobrze zrozumiany.

Gwiazdy zwarte - śmierć gwiazd

Przez zwarte gwiazdy rozumiemy gęste zwarte gwiazdy w ostatnim swym stadium ewolucji.

Białe karły

Są one gwiazdami stabilnymi, ponieważ ściskająca grawitacja gwiazdy jest równoważona przez siłę odpychania elektronów (nie chodzi tu jednak o siłę odpychania elektrycznego, ale o efekt wynikający z zakazu Pauliego). Gwiazda nie ma już czego spalać, tak więc po prostu wypromieniowuje całe nagromadzone w niej ciepło w lodowatą przestrzeń kosmiczną. Trwa to miliony lat.

W końcu nie zostaje już nic prócz ciemnej, zimnej masy, która zwana jest czarnym karłem. Wszechświat jest jednak jeszcze za młody, by jakiekolwiek czarne karły mogły już powstać. Gwiazda jest stabilna dzięki własnościom kwantowego gazu fermionowego (elektronów), który wytwarza ciśnienie przeciwstawiające się zapadaniu grawitacyjnemu gwiazdy. Masy białych karłów są mniejsze lub równe około 1.4 mas Słońca, rozmiar jest rzędu ~5000 km, a średnia gęstość jest ogromna i wynosi około $10^{7} g/cm^{3}$ . Gwiazda ma rozmiary naszej Ziemi. Elektrony w białym karle są zdelokalizowane tak, jak w metalu, a jego jądro przypomina krystaliczny metal. Gwiazda jest stabilna tak długo, jak długo ciśnienie wywołane przez elektrony zdoła przeciwstawić się zapadaniu grawitacyjnemu. Tę granicę wyznacza masa Chandrasekhara M_Ch ~ 1.48 M_S. Białe karły nie produkują już energii przez syntezę jądrową, świecą termicznie wychładzając się. Ich temperatura efektywna jest jednak wysoka (~10000 K) i dlatego są białe. Jasność jest jednak niewielka, zaledwie 1/1000 do 1/100 jasności Słońca.

Z białymi karłami związane jest zachowanie gwiazd nowych: materia ulega akrecji na powierzchnię białego karła i podczas tego staje się tak gorąca, że "zapala się" i wybucha (wybuch termojądrowy). Zachowanie to może być cykliczne. Jeżeli masa białego karła przekracza jednak granicę Chandrasekhara, wtedy gwiazda zapada się i następuje wybuch.

Gwiazda Neutronowa

Jest to ostatnim szczeblem ewolucji gwiazd. Gwiazda neutronowa jest swego rodzaju ogromnym jądrem "atomowym". Jej rozmiar jest rzędu 10-15 km, masa 1 - 3 mas Słońca a średnia gęstość ρ ~ 10¹⁴ g/cm³. Gwiazda istnieje tak długo jak ciśnienie zdegenerowanego gazu nukleonów (przeważnie neutronów) jest w stanie przeciwstawić się zapadaniu grawitacyjnemu. Jeżeli pozostała po wybuchu supernowej gwiazda neutronowa ma masę większą od 3–5 mas Słońca, proces kurczenia się gwiazdy pod wpływem grawitacji postępuje dalej, aż gwiazda zapada się tworząc czarną dziurę.

Czarna Dziura

Powszechnie uważa się, że nie wszystkie supernowe prowadzą do gwiazdy neutronowej. Jeżeli masa gwiazdy jest dostatecznie duża , malejący podczas zapadania się promień gwiazdy może przekroczyć jej grawitacyjny promień Schwarzschilda i gwiazda stanie się czarną dziurą.

Istnienie czarnych dziur zostało przepowiedziane w ogólnej teorii względności. Istnienie czarnych dziur ma dobre podstawy zarówno teoretyczne jak i obserwacyjne.

Zmiana ścieżki ewolucji

Na każdym etapie ewolucji gwiazdy ścieżka ewolucji może ulec zmianie w wyniku dostarczenia do gwiazdy nowego materiału zdolnego do syntezy termojądrowej, co następuje w wyniku wchłonięcia przez gwiazdę obłoku pyłowo gazowego.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Stellar evolution - Chandra (ang.)

Fizyka gwiazd

Gourt Home::Gourt :: Ewolucja gwiazd