Skutočné celebrity – hviezdy

Slovník pojmov/nové pojmy:

Hviezda: nebeské teleso, ktoré je masívnou guľou žeravého plynu, ktorá produkuje energiu fúziou, pri ktorej sa vodík mení na hélium. Táto energia sa šíri ako elektromagnetické žiarenie. Pri fúznych procesoch v jadrách hviezd vznikajú takmer všetky chemické prvky v periodickej tabuľke prvkov.

Plazma: vysokoenergetický stav hmoty – najrozšírenejší vo vesmíre. Spolu s pevným, kvapalným a plynným skupenstvom je jedným zo štyroch základných skupenstiev hmoty. Skladá sa z neutrálnych atómov, iónov a voľných elektrónov. Hviezdy vrátane nášho Slnka sú obrovské gule plazmy.

Červený obor: keď hviezda dosiahne neskorú fázu svojho života, v jej jadre dôjde vodík a začne spaľovať hélium. V dôsledku toho sa jadro hviezdy zmenší a jej vonkajšie vrstvy sa rozšíria, čím sa zníži jej povrchová teplota. Stane sa chladnejšou a začne vyžarovať červené svetlo. Sily sa nevyrovnajú, hviezda sa zväčšuje, zväčšuje sa a ochladzuje, až kým sa sily opäť nevyrovnajú. Teraz je z nej obria hviezda s charakteristickou červenou farbou.

Čierna diera: Je to oblasť vo vesmíre, kde je gravitačná príťažlivosť taká silná, že z nej nemôže uniknúť nič, dokonca ani teleso pohybujúce sa rýchlosťou svetla. Keď najmasívnejším hviezdam na konci ich životného cyklu dôjde palivo, ich vonkajšie vrstvy vybuchnú do vesmíru a ich jadrá sa pod vplyvom vlastnej gravitácie zmenšujú, až sa z nich stane nekonečne malý bod. Okolo neho sa vytvorí veľmi silné gravitačné pole, ktoré vysoko prevyšuje tlak v jadre, a hviezda sa zrúti do čiernej diery.

Trpasličia planéta: malé nebeské teleso podobné planéte. Pohybuje sa po obežnej dráhe okolo hviezdy. Má dostatočnú hmotnosť na to, aby vplyvom vlastnej gravitácie nadobudla tvar gule, ale táto hmotnosť nie je dostatočná na to, aby sa jej obežná dráha zbavila iných astronomických objektov. Nie je to satelit inej planéty ani trpasličia planéta.

Čo je naša galaxia?

Galaxie sú obrovské rodiny hviezd roztrúsené v nekonečnom priestore vesmíru. Naša galaxia je Mliečna dráha. Slnečná sústava je súčasťou tejto galaxie. Za jasnej noci môžeme pozorovať tisíce hviezd, ktoré sú len malým zlomkom z 200 miliárd hviezd v našej galaxii. Zo Zeme je najhustejšia oblasť Mliečnej cesty viditeľná ako slabý, mliečnobiely pruh, ktorý pretína oblohu. V skutočnosti má táto obrovská galaxia špirálovitý tvar. V jej jadre sú žlté a červené hviezdy a jej dve ramená tvoria hmloviny z prachu a jasných modrých a bielych hviezd. Zem sa nachádza na konci jedného z ramien, 30 000 svetelných rokov od stredu Mliečnej cesty. Ak by sme cestovali rýchlosťou svetla, trvalo by nám približne 100 000 rokov, kým by sme obišli celú našu galaxiu.

Mliečna dráha. Zdroj: https://depositphotos.com/photo/colorful-space-shot-of-milky-way-galaxy-with-stars-and-space-dust-32263367.html

Ako sa rodia hviezdy ?

Hviezdy sú obrovské gule horúceho plynu. Keď sa na ne pozeráme, vyzerajú ako malé žiariace bodky na oblohe, pretože sú od nás veľmi ďaleko. Majú rôzne veľkosti, farby, teploty a jas. Hviezdy žiaria, pretože v ich jadrách prebiehajú jadrové reakcie. Studené hviezdy sú červené a teplé hviezdy sú modré alebo biele.

Podobne ako ľudský život, aj život hviezd sa delí na rôzne etapy: zrod, zrelosť a smrť.

Zdroj: https://depositphotos.com/photo/life-cycle-of-a-star-63058181.html

Hviezdy sa rodia v obrovských tmavých a studených oblakoch prachu a plynu, ktorých hlavným stavebným prvkom je vodík. Mračná sa rozpadajú pod vlastnou gravitáciou alebo v dôsledku výbuchu blízkej hviezdy a rozpadajú sa na menšie mračná. Ako sa mrak zmršťuje, hmota v jeho strede sa začína zohrievať (ako keď nafúknete balón – vzduch v ňom sa zohrieva). Výsledkom je gravitačný kolaps.

V strede oblaku sa vytvára čoraz horúcejšie a hustejšie jadro.  Tak vzniká protohviezda. Je to počiatočné štádium tvorby hviezd. Skladá sa z hviezdneho jadra a plynnej obálky s nízkou hustotou. Postupne sa plynná obálka začne zmršťovať smerom k jadru a potom okolo neho rotuje. V ďalšom štádiu sa plyn postupne zahrieva a protohviezda začína slabo žiariť, pričom vyžaruje infračervené žiarenie vznikajúce v dôsledku tepla. Nevyžaruje žiadne svetlo z viditeľného spektra.

Kontrakcia pokračuje, kým teplota nedosiahne približne 10 miliónov stupňov Kelvina (10 000 000 K) a v jadre protohviezdy sa začnú fúzne reakcie, vodík sa premení na hélium a uvoľní sa obrovské množstvo energie. Tlak vyvolaný týmto procesom pôsobí proti gravitácii, kontrakcia protohviezdy sa zastaví, jadro sa “vynorí z prachového zámotku” a zrodí sa mladá HVIEZDA!  Rozptýli úlomky z formácie, ktoré ju zakrývali, a novorodená hviezda je teraz viditeľná – vyžaruje svoje vlastné svetlo a teplo. Takto vzniklo naše Slnko.

Proces zrodu hviezdy môže trvať od niekoľkých stotisíc do niekoľkých miliónov rokov. Z hľadiska ľudského života je to veľmi dlhá doba, ale v kozmickom meradle je to relatívne krátka doba.

Jedným z najštudovanejších nebeských telies, inkubátorom hviezd, je hmlovina v Orióne. Je to obrovský oblak plynu a prachu, v ktorom aktívne vznikajú nové hviezdy. Okolo mnohých mladých hviezd sa pozorujú disky plynu a prachu, z ktorých sa v budúcnosti môžu vytvoriť planéty. Keďže ide o jednu z najjasnejších hmlovín, ktorú možno pozorovať aj voľným okom, a nachádza sa v relatívne malej vzdialenosti od nás – asi 1350 svetelných rokov – je pre astronómov zaujímavá. Pomocou výkonných ďalekohľadov vrátane Hubblovho vesmírneho ďalekohľadu podrobne skúmajú štádiá vzniku a vývoja hviezd, dynamiku plynno-prachových mrakov, vplyv hviezd na okolité medzihviezdne prostredie, chemické zloženie hmloviny a iné.

Vedci predpokladajú, že to, čo pozorovali v Orióne, sa pravdepodobne stalo v našej slnečnej sústave pred miliardami rokov.

Hmlovina Orion. Zdroj: https://depositphotos.com/photo/great-orion-nebula-5087469.html

Dozrievanie a smrť hviezdy

Hviezdy sa dostávajú do hlavnej fázy, teda do obdobia zrelosti, keď sa začne jadrová fúzia a hviezda sa dostane do hydrostatickej rovnováhy: tlak vznikajúci v jadre v dôsledku fúznych reakcií je vyrovnaný gravitačnými silami, ktoré tlačia hviezdu dovnútra, a jej zmršťovanie sa zastaví. V tomto období svojho života sú hviezdy stabilné a nachádzajú sa vo fáze, keď premieňajú vodík na hélium, a toto obdobie sa nazýva hlavná postupnosť. Slnko sa práve nachádza v tejto fáze svojho života.

Vývoj hviezd je znázornený na Hertzsprungovom-Russellovom diagrame – je to krivka, okolo ktorej je usporiadaná väčšina hviezd. Tento diagram znázorňuje matematický vzťah medzi svietivosťou (žiarivým výkonom) a povrchovou teplotou hviezd (spektrálna trieda) v hlavnej fáze ich života. Ako dlho bude trvať život hviezdy v tejto hlavnej fáze, závisí od toho, koľko má jadrového paliva (vodíka) a ako rýchlo ho spotrebuje (výkon). Čím sú hviezdy hmotnejšie, tým rýchlejšie spotrebujú svoje palivo. V dôsledku toho majú kratšiu životnosť z dôvodu intenzívnejších procesov prebiehajúcich v ich jadrách.

Zdroj: Vlastné spracovanie projektu We Teach Data na základe https://physicstime.com/sites/default/files/Diagrame%20Hertz-Russel.jpg

K zániku hviezdy dochádza, keď sa v jej jadre vyčerpá vodíkové palivo a jadrové reakcie sa zastavia. Tým sa stratí zdroj, ktorý udržiava rovnováhu hviezdy, a tá opustí hlavnú postupnosť. Potom sa začne vyvíjať odlišne v závislosti od svojej hmotnosti.

Hviezdy s malou hmotnosťou podobnou Slnku

Zdroj: https://depositphotos.com/photo/extremely-hot-star-flaring-of-sun-elements-of-this-image-furnished-by-nasa-274027146.html

• Červený guitant

Po miliardách rokov sa vodík v jadre hviezdy vyčerpá a tlak z jadrových reakcií sa zníži a zastaví. Tým sa odstráni zdroj, ktorý udržiava hviezdu v rovnováhe, rovnováha medzi tlakom a gravitačnými silami sa naruší. Jej jadro sa začne zmršťovať a zohrievať. Vonkajšie vrstvy sa však začnú ochladzovať a zväčšovať – až na stonásobok predchádzajúcej veľkosti hviezdy. Tak sa z nej stane červený obor.

Zdroj: https://depositphotos.com/photo/astronomy-red-giant-star-522894196.html

• Biely trpaslík

Zdroj: https://depositphotos.com/photo/white-dwarf-core-extinct-star-core-illustration-587998246.html

Keď sa hviezda stane červeným obrom, jej vonkajšie vrstvy sa naďalej rozpínajú a ochladzujú, zatiaľ čo jadro sa zmršťuje a zahrieva. Ako hélium horí v jadrách hviezd, vznikajú zvláštne tepelné impulzy, ktoré sa šíria von a “vyfukujú” vonkajšie vrstvy hviezd do okolitého priestoru. Tieto vonkajšie vrstvy môžu obsahovať viac ako polovicu hmotnosti hviezdy. V dôsledku toho sa okolo hviezdy vytvorí rozpínajúca sa plynná obálka, ktorú nazývame planetárna hmlovina.

Mohli by ste si vyhľadať ďalšie informácie a obrázky niektorých hmlovín, ktoré sa dajú pozorovať malým ďalekohľadom – napr. Kočičie oko, Prstencová hmlovina, Eskimácka hmlovina.

Po rozpade planetárnej hmloviny zostane horúce jadro hviezdy – biely trpaslík. Ide o extrémne hustú a horúcu hviezdu s veľkosťou planéty. Vyžaruje energiu, ktorá zostala z procesov jadrovej syntézy hviezdy. Počas miliárd rokov vyžaruje svetlo a pomaly chladne.  Keď biely trpaslík vyžiari všetku svoju energiu smerom von, prestane žiariť a zomrie ako hnedý trpaslík – to je koniec života hviezdy.

Hviezdy s hmotnosťou väčšou ako Slnko

Ide o hviezdy s hmotnosťou 9 až 40-krát väčšou ako hmotnosť Slnka – skutočné obry vo vesmíre. Sú mimoriadne jasné a vyžarujú obrovské množstvo energie. Obsahujú väčšinu ťažkých prvkov potrebných na vznik a vývoj galaxií.  Ich životnosť je však podstatne kratšia ako životnosť hviezd s menšou hmotnosťou.

Ak je zvyškové jadro vybuchnutej hviezdy menej hmotné ako 1,4 hmotnosti Slnka, nemôže sa stať bielym trpaslíkom. Namiesto toho sa naďalej zmršťuje, pretože tlak elektrónov nemôže vyvážiť gravitáciu. Náhla a rýchla kontrakcia spôsobí obrovskú explóziu, pri ktorej vznikne rázová vlna, ktorá vyvrhne vonkajšie vrstvy hviezdy a zohreje ich. Jasnosť hviezdy sa stane extrémne vysokou a je porovnateľná s jasnosťou celej galaxie. Ide o supernovu. Potom sa z nej stane malá bodka. V skutočnosti to nie je nová hviezda, ale umierajúca stará hviezda. Výbuchy supernov vo vesmíre vyvrhujú všetky prvky ťažšie ako kyslík a sú jediným zdrojom prvkov ťažších ako železo. Obohacujú medzihviezdny priestor o ťažké prvky a zahusťujú plynné mračná, z ktorých sa následne formujú nové hviezdy.

Pozrite si nasledujúce video:

Po výbuchu ako supernova zanechávajú masívne hviezdy neutrónové hviezdy alebo čierne diery.

Neutrónová hviezda – vzniká záverečným gravitačným zmrštením jadra supernovy. Pri tomto prudkom kolapse sa jadrá atómov zničia, keď sa protóny spoja s elektrónmi a vytvoria hmotu obsahujúcu prevažne neutróny. V dôsledku toho tlak neutrónového plynu zastaví kolaps a zvyšok jadra sa stane neutrónovou hviezdou.

Hustota vo vnútri neutrónovej hviezdy je obrovská – rádovo 1018 kg/m3 . Je to, ako keby malá kocka kocky mala hmotnosť bilióna kilogramov. Na druhej strane je jej veľkosť relatívne malá – zmenšuje sa na teleso s priemerom 10 až 30 kilometrov. To je rovnako veľké ako mesto. Predstavte si teda niekoľko hviezd veľkosti nášho Slnka, ktoré sa zmestia do priestoru napríklad Londýna! Ich magnetické pole je miliardkrát silnejšie ako magnetické pole Zeme.

Zdroj: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/97/A_Young_Pulsar_Shows_its_Hand.jpg

Rýchlo rotujúce neutrónové hviezdy, ktoré vyžarujú lúče elektromagnetického žiarenia (rádiové vlny, röntgenové žiarenie atď.) smerujúce k Zemi a pripomínajúce periodicky svietiaci maják, sa nazývajú pulzary. Sú to akési “kozmické hodiny”, pretože ich rotačná perióda je veľmi stabilná a presná.

Čierna diera – jeden z najzáhadnejších a najsilnejších objektov vo vesmíre. Vzniká pri kolapse mnohých masívnych hviezd na konci ich životného cyklu.

Ak má hviezda hmotnosť viac ako 20-krát väčšiu ako Slnko, zrútenie po supernove je ešte rýchlejšie. Dokonca ani tlak neutrónového plynu ho nedokáže zastaviť. Jadro sa naďalej zmršťuje, až sa stane bodom s takmer nekonečne vysokou hustotou, zmenšeným na nekonečne malú veľkosť. Okolo tohto bodu sa vytvorí čierna diera. Takéto objekty disponujú obrovskou gravitačnou silou, ktorá výrazne deformuje priestor a bráni dokonca aj šíreniu svetla po priamke. Svetlo je tiež pohlcované a objekt sa stáva neviditeľným. Preto sa astronomický objekt, ktorého gravitácia je taká silná, že z neho nemôže uniknúť nič, dokonca ani svetlo, ktoré má najvyššiu rýchlosť vo vesmíre, nazýva čierna diera. Hranica okolo čiernej diery, za ktorou už nie je návratu, sa nazýva horizont udalostí. Každé teleso, ktoré túto hranicu prekročí, čierna diera pohltí.

Čierne diery sa nedajú priamo pozorovať.  Jediný spôsob, ako ich odhaliť, je pozorovať účinky, ktoré takéto objekty majú na priestor a iné objekty v ich okolí – ak sa do nich špirálovite dostane hmota z iného blízkeho objektu, výrazne sa zahreje a vyžaruje röntgenové a gama žiarenie, ktoré môžeme odhaliť.

Zdroj: https://depositphotos.com/photo/stars-and-material-falls-into-a-black-hole-77862928.html

Zdroj: https://depositphotos.com/photos/61134599