יש בהם משהו שמסקרן את כולנו. ניתן לקשור רבים מדתות האנושות לסגידה לנרות השמימיים האלה. עבור המצרים, השמש הייתה מייצגת של אלוהים רא, אשר ניצח כל יום את הלילה והביא אור וחום לארצות. עבור היוונים היה זה אפולו שהסיע את מרכבתו הבוערת על פני השמים, והאיר את העולם. אפילו בנצרות ניתן לומר כי ישו מייצג את השמש בהתחשב בתכונות הבולטות שסיפורו טומן בחובו אמונות ודמויות אסטרולוגיות קדומות. למעשה, רבות מהאמונות העתיקות הולכות בדרך דומה, שכולן קושרות את מקורן לזה של פולחן השמש והכוכבים.
האנושות שגשגה מהכוכבים בשמי הלילה מכיוון שהם זיהו מתאם בתבנית שבה תצורות כוכבים מסוימות (המכונות קבוצות כוכבים) ייצגו זמנים ספציפיים במחזור השנתי. אחד מהם פירושו שהיה מתחמם במהרה, מה שהביא לשתילת מזון. קבוצות הכוכבים האחרות חזו את בואו של א
תקופה קרה יותר, כך שהיית מסוגל להתחיל לאגור אוכל ולאסוף עצי הסקה. כשהם מתקדמים במסע האנושות, הכוכבים הפכו אז לדרך לנווט. שיט בכוכבים היה הדרך לעקוף אותנו, ואנחנו חייבים את הבדיקה המוקדמת שלנו להבנתנו את קבוצות הכוכבים. במשך עשרות אלפי השנים שעיניהם האנושיות הביטו כלפי מעלה לכיוון השמיים, רק לפני זמן קצר יחסית התחלנו להבין מהם הכוכבים בפועל, מאיפה הם הגיעו ואיך הם חיו ומתו. על זה נדון במאמר זה. בוא איתי כשאנחנו מסתכנים לעומק הקוסמוס ופיזיקה עדים כותבים גדולים, כשאני מכסה איך כוכב נולד, חי ובסופו של דבר מת.
אנו מתחילים את המסע שלנו על ידי יציאה ליקום בחיפוש אחר משהו מיוחד. אנו מחפשים מבנה ייחודי בו קיימות גם הנסיבות והמרכיבים הנכונים. אנו מחפשים את מה שמכונה האסטרונום ערפילית אפלה. אני בטוח ששמעת על ערפיליות בעבר, וללא ספק ראית אותם. הרבה מהתמונות המדהימות שהשיג טלסקופ החלל האבל הן של ענני גז יפהפיים, הזוהרים על רקע מיליארדי הכוכבים. הצבעים שלהם נעים בין אדומים עמוקים, לבלוז תוסס, ואפילו כמה ירוקים מוזרים. זה לא סוג הערפילית שאנו מחפשים אחריה. הערפילית לה אנו זקוקים כהה, אטומה, וקרה מאוד.
אתה יכול לתהות בפני עצמך, "מדוע אנו מחפשים משהו אפל וקר כשכוכבים בהירים וחמים?"
אכן, זה דבר שנראה תמוה בהתחלה. מדוע צריך קודם להיות קר לפני שהוא יכול להיות חם במיוחד? ראשית, עלינו לכסות משהו אלמנטרי במה שאנחנו מכנים המדיום הבין-כוכבי (ISM), או על המרחב בין הכוכבים. המרחב אינו ריק כפי שמשתמע משמו. החלל מכיל גם גז וגם אבק. הגז אליו אנו מתכוונים בעיקר הוא מימן, היסוד השופע ביותר ביקום. מכיוון שהיקום אינו אחיד (אותה צפיפות של גז ואבק על כל מטר מעוקב), ישנם כיסים של חלל המכילים יותר גז ואבק מאחרים. זה גורם לכוח המשיכה לתמרן את הכיסים האלה להתאגד ולעצב את מה שאנחנו רואים ערפיליות. דברים רבים עוסקים בייצור ערפיליות שונות אלה, אך זה אותו אנו מחפשים, ערפילית אפלה, הוא בעל תכונות מיוחדות מאוד. עכשיו, בואו נצלול לאחד הערפילים האפלים האלה ונראה מה קורה.
כשאנחנו יורדים דרך השכבות החיצוניות של ערפילית זו, אנו מבחינים כי הטמפרטורה של הגז והאבק היא נמוכה מאוד. בחלק מהערפיליות הטמפרטורות חמות מאוד. ככל שחלקיקים יותר נתקלים זה בזה, נרגשים מהספיגה והפליטה של קרינה חיצונית ופנימית, פירושו טמפרטורות גבוהות יותר. אבל בערפילית האפלה הזו ההיפך קורה. הטמפרטורות יורדות ככל שהענן אנו מקבלים. הסיבה שלערפיליות כהות אלו יש תכונות ספציפיות הפועלות ליצירת פעוטון מעולה נהדר נאלצת להתמודד עם המאפיינים הבסיסיים של הערפילית וסוג האזור בו הענן קיים, שיש בו כמה מושגים קשים הקשורים אליו שלא אדגים במלואם. כאן. הם כוללים את האזור בו נוצרים העננים המולקולריים הנקראים אזורי מימן נייטרליים, ותכונותיהם של אזורים אלה נאלצים להתמודד עם ערכי ספין אלקטרונים, יחד עם אינטראקציות בשדה מגנטי המשפיעים על אלקטרונים אמרו. התכונות שאכסה הן המאפשרות לערפילית הספציפית הזו להיות בשלה להיווצרות כוכבים.
אם לא נכלל במדע המורכב העומד מאחורי מה שעוזר ליצור ערפיליות אלה, נוכל להתחיל להתייחס לשאלה הראשונה מדוע עלינו להיות קרים יותר כדי להתחמם יותר. התשובה מסתכמת בכוח המשיכה. כאשר חלקיקים מחוממים, או מתרגשים, הם נעים מהר יותר. ענן עם אנרגיה מספקת יכיל תנופה רבה מדי בין כל אחד מחלקיקי האבק והגז בכדי להתרחש כל סוג של תצורות. כמו למשל, אם גרגרי אבק ואטומי גז נעים מהר מדי, הם פשוט יתפזרו האחד מהשני או סתם יירו זה בזה, ולעולם לא ישיגו קשר כלשהו. בלי האינטראקציה הזו לעולם לא תוכלו לקבל כוכב. עם זאת, אם הטמפרטורות קרות מספיק, חלקיקי הגז והאבק נעים כה איטי עד כי כוח הכבידה ההדדי שלהם יאפשר להם להתחיל "להידבק" זה בזה. התהליך הזה הוא שמאפשר להתחיל להיווצר פרוטוסטאר.
באופן כללי מה שמספק אנרגיה כדי לאפשר תנועה מהירה יותר של החלקיקים בעננים המולקולריים הללו הוא קרינה. כמובן שקרינה נכנסת מכל הכיוונים בכל עת ביקום. כפי שאנו רואים עם ערפיליות אחרות, הם זוהרים באנרגיה וכוכבים לא נולדים בתוך ענני הגז החמים האלה. הם מחוממים על ידי קרינה חיצונית מכוכבים אחרים ומהחום הפנימי שלה. איך הערפילית האפלה הזו מונעת מקרינה חיצונית לחמם את הגז בענן ולגרום לו לנוע מהר מכדי שכוח הכבידה יתפוס? זה איפה
הטבע האטום של הערפיליות האפלות האלה נכנס לתמונה. אטימות היא המדד לכמה האור מסוגל לעבור דרך חפץ. ככל שהחפץ יותר חומר או עצם עבה יותר, כך האור פחות מסוגל לחדור אליו. האור בתדירות הגבוהה יותר (קרני גמא, קרני רנטגן ו- UV) ואפילו התדרים הגלויים מושפעים יותר מכיסים עבים של גז ואבק. רק לסוגי האור בתדרים הנמוכים, כולל אינפרא אדום, מיקרוגל וגלי רדיו, יש הצלחה כלשהי של חדירת ענני גז כמו אלה, ואפילו זה מפוזר במקצת כך שבאופן כללי הם אינם מכילים כמעט מספיק אנרגיה כדי להתחיל לשבש את הרעוע הזה. תהליך היווצרות כוכבים. לפיכך, החלקים הפנימיים של ענני הגז הכהים "מוגנים" למעשה מהקרינה החיצונית שמשבשת ערפיליות אחרות ופחות אטומות. ככל שהקרינה פחות נכנסת לענן, כך הטמפרטורות של הגז והאבק בתוכו נמוכים יותר. הטמפרטורות הקרות יותר פירושן פחות תנועת חלקיקים בתוך הענן, שהיא המפתח לדברים הבאים.
ואכן, כשאנחנו יורדים לעבר ליבת הענן המולקולרי האפל הזה, אנו שמים לב שאור פחות ופחות נראה לעין הופך אותו לעינינו, ועם פילטרים מיוחדים אנו יכולים לראות שזה נכון לתדרי אור אחרים. כתוצאה מכך הטמפרטורה של הענן נמוכה מאוד. ראוי לציין שתהליך היווצרות הכוכבים לוקח זמן רב מאוד, ובעניין לא להשאיר אתכם קוראים מאות אלפי שנים, כעת נמהר את הזמן קדימה. בכמה אלפי שנים, כוח הכובד משך כמות לא מבוטלת של גז ואבק מהענן המולקולרי שמסביב, וגורם לו להתגבש יחד. חלקיקי אבק וגז, שעדיין מוגנים מפני קרינה חיצונית, חופשיים להתאגש באופן טבעי ו"נדבקים "בטמפרטורות נמוכות אלה. בסופו של דבר, משהו מעניין מתחיל לקרות. כוח המשיכה ההדדי של כדור וגז ואבק זה הולך וגדל, מתחיל אפקט של כדור שלג (או כדור כוכב). ככל שכבות יותר של גז ואבק שנקרשים זה לזה, כך הופך פניו של פרוטוסטאר צפוף יותר. צפיפות זו מגדילה את כוח הכבידה בסמוך לפרוטוסטאר, ובכך מושכת לתוכו עוד חומר. עם כל אטום גרגר אבק ומימן שהוא צובר, הלחץ בחלקו הפנימי של כדור הגז הזה עולה.
אם אתה זוכר משהו משיעור כימיה שעשית אי פעם, אתה עשוי להיזכר בקשר מיוחד מאוד בין לחץ לטמפרטורה כשאתה מתמודד עם גז. PV = nRT, חוק הגז האידיאלי, עולה לראש. לא כולל ערך סקלרי קבוע 'n' וקבוע הגז R ({8.314 J / mol x K}), ופתרון עבור טמפרטורה (T), נקבל T = PV, מה שאומר שהטמפרטורה של ענן גז היא ביחס ישר להלחיץ. אם אתה מגדיל את הלחץ, אתה מעלה את הטמפרטורה. גרעין הכוכב הזה שעוד מעט מתגורר בערפילית האפל הזו הופך להיות צפוף מאוד, והלחץ מרקיע שחקים. לפי מה שרק חישבנו זה אומר שגם הטמפרטורה עולה.
אנו שוקלים שוב את הערפילית הזו לשלב הבא. לערפילית זו יש כמות גדולה של אבק וגז (מכאן שהיא אטומה), מה שאומר שיש בה הרבה חומר להזנת הפרוטוסטאר שלנו. הוא ממשיך למשוך את הגז והאבק מסביבתו ומתחיל להתחמם. חלקיקי המימן בליבת האובייקט הזה מקפצים כל כך מהר שהם משחררים אנרגיה לכוכב. הפרוטוסטאר מתחיל להתחמם מאוד וכעת זוהר מקרינה (בדרך כלל אינפרא אדום). בשלב זה כוח הכובד עדיין מושך יותר גז ואבק אשר מוסיף ללחצים המופעלים עמוק בתוך ליבת פרוטוסטאר זה. הגז של הערפילית האפלה ימשיך לקרוס מעצמו עד שיקרה משהו חשוב. כאשר נותר מעט או לא מעט ליד הכוכב ליפול על פני השטח שלו, הוא מתחיל לאבד אנרגיה (בגלל שהוא מקרין כמו אור). כאשר זה קורה, הכוח החיצוני מפחית וכוח הכבידה מתחיל לכווץ את הכוכב מהר יותר. זה מגביר מאוד את הלחץ בליבה של פרוטוסטאר זה. ככל שהלחץ גדל, הטמפרטורה בליבה מגיעה לערך שהוא קריטי לתהליך שאנו עדים אליו. גרעין הפרוטוסטאר הפך להיות כל כך צפוף וחם עד שהוא מגיע לכ 10 מיליון קלווין. כדי לשים את זה בפרספקטיבה, הטמפרטורה הזו היא בערך 1700X יותר חדה משטח השמש שלנו (בסביבות 5800K). מדוע 10 מיליון קלווין כל כך חשובים? מכיוון שבאותה טמפרטורה, האיחוי התרמו-גרעיני של מימן יכול להתרחש, וברגע שהאיחוי מתחיל, כוכב הרך הנולד הזה "נדלק" ופורץ לחיים, שולח כמויות אדירות של אנרגיה לכל הכיוונים.
בליבה, הוא כל כך חם שהאלקטרונים המתחברים סביב גרעיני הפרוטון של המימן מופשטים (מיוננים), וכל מה שיש לך זה פרוטונים נעים חופשיים. אם הטמפרטורה לא מספיק חמה, הפרוטונים המעופפים החופשיים האלה (שיש להם מטענים חיוביים), פשוט יסתכלו זה מזה. עם זאת, בעשרה מיליון קלווין הפרוטונים נעים כל כך מהר שהם יכולים להתקרב מספיק בכדי לאפשר לכוח הגרעין החזק להשתלט, וכשזה קורה, הפרוטונים המימניים מתחילים לטרוק זה לזה בכוח מספיק כדי להתמזג יחד, ויוצרים אטומי הליום ומשחררים הרבה אנרגיה בצורה של קרינה. זו תגובת שרשרת שניתן לסכם כ -4 פרוטונים מניבים אטום הליום 1 + אנרגיה. היתוך זה הוא שמצית את הכוכב וגורם לו "לשרוף". האנרגיה שמשתחררת מתגובה זו עוברת לעזור לפרוטוני מימן אחרים להתמזג ומספקת גם את האנרגיה כדי למנוע מהכוכב להתמוטט מעצמו. האנרגיה הנשאבת מכוכב זה לכל הכיוונים מגיעה מהליבה, והשכבות שלאחר מכן של כוכב צעיר זה, כל אלה מעבירים את החום בדרכם שלהם (באמצעות שיטות קרינה והסעה תלויות באיזה סוג כוכב נולד) .
מה שאנו עדים לו כעת, מתחילת המסע שלנו כשאנחנו צוללים אל אותה ערפילית אפלה וקרה, הוא לידתו של כוכב צעיר וחם. הערפילית הגנה על כוכב זה מפני קרינה שגויה שהייתה משבשת את התהליך הזה, כמו גם מספקת את הסביבה הקפואה שנדרשה בכוח הכבידה לתפוס ולעבד את קסמו. כאשר היינו עדים לצורת הפרוטוסטאר, יתכן גם שראינו משהו מדהים. אם התוכן של הערפילית הזו צודק, כמו שיש כמות גבוהה של מתכות כבדות וסיליקטים (שנשארו מהסופרנובות של כוכבים קודמים ומסיביים יותר), מה שנוכל להתחיל לראות יהיה היווצרות פלנטרית שמתרחשת בדיסק ההקרדה של חומר סביב הפרוטוסטאר.
שרידי גז ואבק בקרבת הכוכב החדש שלנו יתחילו ליצור כיסים צפופים באותה מנגנון של
כוח הכבידה, בסופו של דבר היכולת להצטבר לפרוטופלטים שיורכבו מגז או מסיליקט ומתכת (או שילוב של השניים). עם זאת, היווצרות פלנטרית היא עדיין בגדר תעלומה עבורנו, שכן נראה שיש דברים שאנחנו עדיין לא יכולים להסביר בעבודה. אולם נראה כי מודל זה של היווצרות מערכת הכוכבים עובד טוב.
חיי הכוכב אינם מרגשים כמעט כמו הולדתו או מותו. אנו נמשיך להתקדם במהירות את השעון ולצפות במערכת הכוכבים הזו מתפתחת. במשך כמה מיליארדי שנים, שרידי הערפילית האפלה התפוצצו והיוו גם כוכבים אחרים כמו אלה שהיינו עדים להם, והיא כבר לא קיימת. כוכבי הלכת שראינו נוצרים עם התפתחות הפרוטוסטאר מתחילים בריקוד המיליארד שלהם סביב כוכב האם שלהם. אולי באחד מהעולמות האלה, עולם היושב במרחק בדיוק מהכוכב, קיימים מים נוזליים. בתוך אותם מים מכילים את חומצות האמינו הנחוצות לחלבונים (כולם מורכבים מהיסודות שנשארו בעקבות התפרצויות כוכבים קודמות). חלבונים אלה מסוגלים לקשר זה לזה ולהתחיל ליצור שרשראות RNA, ואז שרשראות DNA. אולי בנקודה מסוימת, כמה מיליארדי שנה אחרי שנולד הכוכב, אנו רואים כי מין מרחיק חלל משגר את עצמו לקוסמוס, או שאולי הם לעולם לא משיגים זאת מסיבות שונות ונשארים קשורים לכוכב לכת. כמובן שזו רק ספקולציות לשעשוע שלנו. עם זאת, כעת אנו מגיעים לסוף המסע שלנו שהחל לפני מיליארדי שנים. הכוכב מתחיל למות.
המימן שבליבתו מתמזג להליום, המדלדל את המימן לאורך זמן; הכוכב אוזלת על הדלק. לאחר שנים רבות, תהליך היתוך המימן מתחיל להיפסק, והכוכב מוציא פחות ופחות אנרגיה. היעדר לחץ חיצוני מתהליך ההיתוך מרגיז את מה שאנחנו מכנים שיווי המשקל ההידרוסטטי, ומאפשר לכבידה (שתמיד מנסה לרסק את הכוכב) לנצח. הכוכב מתחיל להתכווץ במהירות תחת משקל משלו. אבל, בדיוק כמו שדיברנו קודם, ככל שהלחץ עולה, כך גם הטמפרטורה. כל אותו הליום שנשאר
החל ממיליארדי שנות היתוך המימן מתחיל להתחמם בליבה. הליום נתיך בטמפרטורה הרבה יותר חמה ממה שמכיל מימן, מה שאומר שהליבה העשירה בהליום יכולה להילחץ פנימה על ידי כוח הכבידה מבלי להתמזג (עדיין). מכיוון שאיחוי אינו מתרחש בליבת הליום, אין כמעט כוח חיצוני (המונע על ידי היתוך) כדי למנוע את התמוטטות הגרעין. חומר זה הופך להיות צפוף בהרבה, שכיום אנו מתייגים כמנוון, ודוחף כמויות אדירות של חום (אנרגיה כבידה הופכת לאנרגיה תרמית). זה גורם להתמזגות של יתרת המימן שנמצאת בשכבות עוקבות מעל ליבת הליום, מה שגורם לכוכב להתפשט מאוד כאשר מעטפת המימן הזו נשרפת משליטה. זה גורם לכוכב ל"ריבאונד "והוא מתרחב במהירות; היתוך אנרגטי יותר מפגזי המימן מחוץ לליבה המרחיב מאוד את קוטר הכוכב. הכוכב שלנו הוא עכשיו ענק אדום. חלקם, אם לא כל כוכבי הלכת הפנימיים שהיינו עדים להם, יצורפו ויבלעו על ידי הכוכב שהעניק להם לראשונה חיים. אם היו במקרה חיים כלשהם בכוכבי הלכת האלה שלא הצליחו לעזוב את עולמם הביתי, הם בוודאי יימחקו מהיקום, שלא ידוע עליהם לעולם.
תהליך זה של הכוכב שנגמר לו הדלק (תחילה מימן, אחר כך הליום וכו '...) יימשך זמן מה. בסופו של דבר, הליום בליבה יגיע לטמפרטורה מסוימת ויתחיל להתמזג בפחמן, אשר ידחה את התמוטטות (ומוות) של הכוכב. הכוכב בו אנו צופים כרגע בשידור חי ומת הוא כוכב רצף ראשי בממוצע, כך שחייו מסתיימים ברגע שהוא מסיים למזג את הליום לתוכו
פחמן. אם הכוכב היה גדול בהרבה, תהליך ההיתוך הזה היה נמשך עד שהגענו לברזל. ברזל הוא היסוד בו היתוך אינו מתרחש באופן ספונטני, כלומר הוא דורש יותר אנרגיה כדי להמיס אותו מאשר שהוא מפטיר לאחר היתוך. עם זאת, הכוכב שלנו לעולם לא יגיע לברזל בליבה, וכך הוא נפטר לאחר שהוא מתיש את מאגר הליום שלו. כאשר תהליך ההיתוך סוף סוף "נכבה" (מתוך הגז), הכוכב מתחיל לאט להתקרר והשכבות החיצוניות של הכוכב מתרחבות ונפלטות לחלל. פליטות עוקבות של חומר מהממים ממשיכות ליצור את מה שאנו מכנים ערפילית פלנטרית, וכל שנותר מהכוכב המבריק שפעם צפינו באביב להתקיים הוא עכשיו רק כדור של פחמן צפוף שימשיך להתקרר להמשך הנצח, אולי מתגבש ליהלום.
המוות שאנו עדים אליו ממש כעת אינו הדרך היחידה שכוכב מת. אם כוכב מספיק גדול מספיק, מותו אלים בהרבה. הכוכב יתפרץ לפיצוץ הגדול ביותר ביקום, שנקרא סופרנובה. תלוי במשתנים רבים, שריד הכוכב יכול להסתיים ככוכב נויטרונים, או אפילו חור שחור. אך לרוב מה שאנו מכנים כוכבי רצף הראשי הממוצעים בגודל הממוצע, המוות אליו אנו עדים יהיה גורלם.
המסע שלנו מסתיים בכך שאנחנו מהרהרים במה שצפינו. לראות בדיוק מה הטבע יכול לעשות בהתחשב בנסיבות הנכונות, וצפייה בענן של גז ואבק קר מאוד הופכים למשהו שיש בו פוטנציאל להפיח חיים בקוסמוס. מוחנו משוטט חזרה למין ההוא שיכול היה להתפתח באחד מאותם כוכבי לכת. אתה חושב על איך הם עשויים לעבור שלבים דומים לנו. יתכן שמשתמש בכוכבים כאלוהות על טבעיות שהנחו את אמונותיהם במשך אלפי שנים, והחליפו תשובות במקום בו שלטה בורותם. אמונות אלה יכולות להפוך לדתות, ובכל זאת לתפוס את הרעיון הזה של בחירה מיוחדת ומחשבה עצומה. האם הכוכבים יתדלקו את רצונם להבין את היקום כפי שעשו הכוכבים עבורנו? מחשבתך תוהה אז מה יהיה גורלנו אם לא ננסה לעשות את הצעד הבא ליקום. האם עלינו לאפשר למחוק את המין שלנו מהקוסמוס ככל שהכוכב שלנו מתרחב במותו? המסע הזה שעשיתם בלב ערפילית אפלה מדגים באמת את מה שהמוח האנושי יכול לעשות, ומראה לכם עד כמה בדיוק הגענו למרות שאנחנו עדיין קשורים למערכת השמש שלנו. הדברים שלמדת נמצאו על ידי אחרים כמוך פשוט שואלים כיצד הדברים מתרחשים ואז מביאים את מלוא המשקל של הידע שלנו בפיזיקה. דמיין מה אנו יכולים להשיג אם נמשיך בתהליך זה; היכולת להשיג את מקומנו באופן מלא בין הכוכבים.
