Z gwiazd powstaliśmy, w gwiazdy się obrócimy

Tlen, węgiel, wodór, azot i wszystkie inne pierwiastki, z których się składamy, powstały w wyniku eksplozji supernowych. Jesteśmy dziećmi gwiazd – pisze Piotr KOŁACZEK-SZYMAŃSKI

Proces ewolucji życia tych fantastycznych obiektów współcześnie ma status osobnej, niezwykle skomplikowanej teorii. Warianty i potencjalne ścieżki życia gwiazd są niezwykle zróżnicowane, chociaż przebiegają według znanego nam schematu: narodziny, rozwój i śmierć. Gwiazdy różnią się masą, składem chemicznym i wiekiem. Wszechświat składa się z milionów gazowych kul, od najmniejszych, posiadających zaledwie 8 proc. masy Słońca, po giganty sięgające nawet jej 100-krotności.

Jeden z najsłynniejszych współczesnych astrofizyków, sir Arthur Stanley Eddington, powiedział, że w miarę wzrostu naszej wiedzy powinniśmy zbliżyć się do zrozumienia obiektu tak prostego jak gwiazda [It is reasonable to hope that in the not too distant future we shall be competent to understand so simple a thing as a star]. Co wiemy o gwiazdach i ich życiu?

Narodziny gwiazdy

.Kluczowe w procesie narodzin gwiazdy są mgławice. Jest to obłok pyłu i gazu, w którym dochodzi do formowania się gwiazd. We wczesnych fazach gaz pozostaje praktycznie niewzbudzony i zauważalny jedynie w podczerwieni. Gwiazdy dzięki kolapsowi grawitacyjnemu narodziły się z materii i powoli ją rozdmuchują, emitując specyficzną formę wiatru. Tracą materię, która odsuwa od nich gaz.

Mgławica M16 w gwiazdozbiorze Orła ma pyłowe kolumny („kolumny stworzenia”), które są miejscem powstawania gwiazd. Możemy wykonywać zdjęcia najdrobniejszych szczegółów takich mgławic i w skali roku obserwować zmiany, które w niej zachodzą. Najczęściej obrazy takiego procesu obserwujemy w świetle widzialnym, jednak astronomowie mają do badania znacznie większą paletę promieniowania elektromagnetycznego. Jednym z odcieni tej palety jest podczerwień. Za jej sprawą możemy przeniknąć przez wszystkie struktury pyłowe, co pozwala nam na dokładniejsze obserwowanie obszarów narodzin gwiazd.

W fazie typu T Tauri początkowo materia krąży po orbicie nowo narodzonej gwiazdy. Silne pole magnetyczne prowadzi do spadania materii na powierzchnię gwiazdy, co powoduje emisję bardzo silnego promieniowania rentgenowskiego. Taka gwiazda nie byłaby przyjazna dla planet, które znalazłyby się zbyt blisko.

Ciąg główny

.W jądrze gwiazdy promieniowanie jest ekstremalnie energetyczne i charakteryzuje się bardzo silnym natężeniem. W pewnym momencie życia gwiazdy okazuje się, że samo świecenie nie wystarcza na transport energii z jądra w kierunku jej powierzchni. Na tym etapie pojawia się konwekcja. Możemy wyobrazić sobie to na przykładzie. Podgrzewając garnek z wodą, możemy zaobserwować komórki konwekcyjne – bąble, które nieustannie mieszają się ze sobą. Gdyby konwekcja nie następowała, dno garnka by się przypaliło, bo samo przewodnictwo ciepła nie dałoby rady odprowadzić energii.

Konwekcja występuje także w gwieździe. Samo przewodnictwo za pośrednictwem promieniowania nie jest w stanie przemieszczać ogromnej energii, której dostarczają reakcje termojądrowe. Gaz zaczyna wykonywać ruchy okrężne. Na dole jest gorętszy, wznosi się, oddając swoją energię na powierzchni gwiazdy, a następnie ochłodzony opada. Gwiazda posiada więc dwie wyraźne warstwy: promienistą, gdzie zachodzą produkcja i przenoszenie energii, a także konwektywną.

Nie wszystkie gwiazdy zbudowane są tak samo. Mała gwiazda, posiadająca masę mniejszą niż połowa masy Słońca, jest w pełni konwektywna. Znacznie przedłuża to jej życie, ponieważ dostarcza ona sobie nowego paliwa w postaci wodoru. W gwiazdach masywniejszych niż półtorej masy Słońca tendencje się odwracają. Ilość energii generowanej w jądrze jest tak duża, że nawet promieniowanie nie daje rady z jej wyprowadzaniem. Wówczas to jądro jest konwektywne, a otoczka jest promienista.

W gwiazdach zachodzą dwie zasadnicze reakcje: PP i CNO. Typ PP, czyli proton-proton, obejmuje proces łączenia czterech jąder wodoru w jedno jądro helu. W ten sposób produkowana jest energia. W gwiazdach masywniejszych występuje cykl CNO (węgiel-azot-tlen). Te trzy pierwiastki pełnią funkcję katalizatora. Podczas reakcji ich liczba się nie zmienia, jednak podobnie jak w łańcuchu PP, cztery jądra wodoru dostarczają jedno jądro helu. Cykl PP dostarcza więcej energii niż cykl CNO w przypadku Słońca, jednak w masywniejszych gwiazdach jest odwrotnie.

W naszej galaktyce mamy ogromną liczbę gwiazd. Jeśli posortujemy je od lewej do prawej według koloru, który świadczy o temperaturze, a więc po lewej gwiazdy niebieskie (gorące), po prawej czerwone (chłodne), a także od góry do dołu według mocy promieniowania, czyli jasności, otrzymamy diagram Hertzsprunga-Russela. Gwiazdy tak posortowane ułożą się w linię, którą nazywamy ciągiem głównym. Wszystkie one osiągnęły etap „spalania” wodoru.

Kiedy gwiazda traci wodór, stopniowo staje się coraz większa, chłodniejsza i świeci mocniej. Jest to droga zwana gałęzią czerwonych olbrzymów. Kiedy wyczerpie się wodór, w gwieździe powstanie jądro helu. W sytuacji braku energii zaczyna się kurczyć, a więc zapadać. Zwiększa się także siła grawitacji gwiazdy. Pozostałości wodoru aktywują cykl PP, co na chwilę daje gwieździe drugie życie. Olbrzymia energia ogrzewa kolejne warstwy gwiazdy, która dynamicznie się rozszerza. Ten proces jednak nie może trwać w nieskończoność. Ściśnięcie jądra wywołuje błysk helowy, gwiazda zapala hel i przez chwilę staje się bardzo gorąca, jednocześnie zmniejszają się jej gęstość i rozmiary. Hel jednak także się wyczerpuje i wskutek spalania zamienia się w węgiel oraz tlen. Na tym etapie życia gwiazda ma rozmiar od 1 do 2 jednostek astronomicznych. Dla porównania – gdyby to było Słońce, nasza planeta zostałaby już przez nie pochłonięta, a nawet jeśli nie, całe życie na Ziemi wyparowałoby razem z morzami i oceanami.

Śmierć gwiazdy

.Pod koniec swojego życia gwiazda wykonuje gwałtowne oscylacje. W skali setek lub tysięcy lat doznaje gwałtownych rozprężeń, staje się wyraźnie większa i chłodniejsza, a następnie się kurczy. Jej powierzchniowe obszary są przyciągane zbyt słabo i „odlatują” od niej. Rozpad następuje warstwowo.

Trwa to przez tysiące lat. Jedyne, co pozostaje, to jądro, biały karzeł złożony z węgla i tlenu, otoczony przez gaz, który powstaje w procesie odpadania warstw.

Mniejsze gwiazdy kończą swój żywot na etapie spalania węgla i tlenu. Gwiazdy masywniejsze są tak ciężkie, że w pozostających z nich białych karłach dochodzi do takiego wzrostu temperatury, że nawet tlen i węgiel spalają się i przechodzą w kolejne pierwiastki. Gwiazda staje się czerwonym nadolbrzymem. Na samym końcu tego procesu, bezpośrednio przed eksplozją supernowej, w jej jądrze pojawia się żelazo. Od tego momentu gwiazda nie może generować więcej energii. Po raz kolejny dochodzi do stanu krytycznego w jej życiu – zaczyna się rozpadać.

W pewnym momencie w jądrze robi się tak gęsto, że nawet elektrony pełzające wokół atomów żelaza nie mogą już dłużej tego robić. Zaczyna się proces neutronizacji materii. Elektrony wnikają w jądro atomów i zamieniają protony w neutrony. Żelazo zostaje zniszczone – powstaje gwiazda neutronowa.

Jądro gwiazdy neutronowej kurczy się i jednocześnie staje się sprężyste. Odbija się od zewnętrznej materii gwiazdy jak piłka. Powoduje to powstanie dużej fali uderzeniowej. Napór materii z zewnątrz jest tak duży, że powoduje zatrzymanie fali uderzeniowej w miejscu, w wyniku czego gwiazda zaczyna się niebywale rozgrzewać. Wskutek tego wybuchowego, deflagracyjnego spalania się powstaje duża część układu okresowego pierwiastków. Materia po śmierci gwiazdy, składająca się z pierwiastków ciężkich, może zasilić nowo powstające gwiazdy i planety.

.Pierwiastki, z których się składamy, na przykład węgiel, azot i tlen, powstają dzięki śmierci mało masywnych gwiazd, jak nasze Słońce. W wyniku eksplozji supernowej powstaje tlen. Nasze ukochane złoto i srebro są efektem procesu jeszcze rzadszego – „zlania się” dwóch gwiazd neutronowych. Każdy atom węgla, tlenu i azotu w naszym ciele – kiedyś był obecny we wnętrzu gwiazdy. Bez nich nie moglibyśmy zaistnieć. Nasze życie powstało za sprawą gwiazd.

Piotr Kołaczek-Szymański