Narodziny gwiazd

Czy możemy wiedzieć wszystko o gwiazdach? Jak powstają, co dzieje się w ich wnętrzu, jak umierają. Nie możemy oczywiście stworzyć gwiazdy w laboratorium. Ale dzięki nowoczesnym instrumentom pomiarowym, gwiazdy wciąż potrafią nas zaskoczyć.

Cofnijmy się do samego początku. Jesteśmy przyzwyczajeni do wizji wielkich połaci pustej przestrzeni, w której rozrzucone są galaktyki, zamieszkane przez olbrzymie, rozgrzane kule gazu – gwiazdy – i ich drobni towarzysze – planety, księżyce czy asteroidy. Ale nie zawsze tak było. Według współczesnej kosmologii, Wszechświat zaraz po Wielkim Wybuchu był gorącą, gęstą mieszanką kwarków (które później stworzyły protony i neutrony) i elektronów. Minęły miliony lat, zanim ta gęsta „kosmiczna zupa” ostudziła się wystarczająco, żeby mogły się w niej wyodrębnić struktury, takie jak gwiazdy. 

Bogaty w młode gwiazdy obszar w Wielkim Obłoku Magellana, uchwycony przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Źródło: NASA

Gwiazda powstaje, w szczególnie gęstych obszarach przestrzeni kosmicznej, które nazywa się obłokami molekularnymi. Taki obłok może się skurczyć i zgęstnieć pod wpływem własnej grawitacji, czemu towarzyszy wzrost temperatury. Jeśli masa obłoku jest odpowiednio duża, to wyzwolona w trakcie zapadania energia doprowadza do zapoczątkowania reakcji jądrowej proton-proton. W ten sposób w obłoku powstaje zalążek gwiazdy – protogwiazda.  

Cykl protonowy (inaczej cykl pp). pl.wikipedia.org

Gwiazdy świecą dlatego, że w ich wnętrzach cały czas zachodzą reakcje termojądrowe. Te reakcje polegają na łączeniu się lżejszych pierwiastków w coraz cięższe i uwalnianiu dużych ilości energii. To te reakcje są źródłem światła gwiazdy, a jednocześnie zapobiegają jej całkowitemu zapadnięciu się. Przez większość swojego życia gwiazda jest utrzymywana w delikatnej równowadze między reakcjami termojądrowymi – które ją rozsadzają – a grawitacją – która ją ściska. 

Ta równowaga nie może jednak być utrzymywana w nieskończoność. Kiedy jądro gwiazdy zsyntezuje już cały wodór w hel, grawitacja bierze górę. Gwiazda zapada się w sobie, a jej dalsze losy zależą od jej masy. 

Diagram HR (Hertzsprunga-Russella) przedstawia zależność masy gwiazdy (oś pionowa) i temperatury jej powierzchni (oś pozioma). Gwiazdy są pogrupowane w kategorie: białe karły, gwiazdy ciągu głównego oraz odchodzące bezpośrednio od ciągu głównego olbrzymy i nadolbrzymy (nazywane też superolbrzymami). Źródło: ESO

Najmniejsze z nich gasną po cichu, ponieważ tempo syntezowania helu jest w nich bardzo powolne. Gwiazdy średnich rozmiarów (0,6-10 mas Słońca) przeobrażają się w czerwone olbrzymy. Ich jądra kurczą się maksymalnie, a zewnętrzne warstwy „puchną”. Gwiazda przechodzi przez etap odrzucania masy – taką chmurę odrzuconej masy, zwykle o sferycznym kształcie, nazywamy mgławicą planetarną. Zawiera ona pierwiastki cięższe od wodoru i helu, które w astrofizyce zbiorczo nazywa się metalami. Wzbogacają one medium międzygwiezdne i prowadzą do powstawania planet i innych małych obiektów. Po odrzuceniu zewnętrznych warstw jądro przeradza się w białego karła: małą gwiazdę o dużej gęstości. 

Największe z gwiazd czeka najbardziej widowiskowy los. Grawitacyjne zapadanie ogromnej masy powoduje tak wielkie ciśnienie w jądrze gwiazdy, że zaczyna się synteza helu w coraz cięższe pierwiastki, aż do żelaza. Na tym etapie już naprawdę brakuje paliwa, bo reakcja syntezy żelaza w cięższe pierwiastki nie wydziela, a wymaga dostarczenia energii, więc w jądrze nie ma już nic, co przeciwstawiałoby się grawitacji. Gwiazda odrzuca zewnętrzne warstwy materii w spektakularnej supernowej, a jądro przeradza się w gwiazdę neutronową lub czarną dziurę (zależnie od masy początkowej).  

Jedną z najbardziej znanych mgławic, będących pozostałościami po supernowej, jest mgławica Kraba, którą obserwujemy już od niemal tysiąca lat. Źródło: NASA

Wizualizacja Kosmicznego Obserwatorium Herschela w przestrzeni kosmicznej. Źródło: ESA

Choć Wszechświat jest obecnie o wiele rzadszy i chłodniejszy, to nadal zachodzą w nim procesy, które nieuchronnie prowadzą zarówno do śmierci, jak i do powstawania  nowych gwiazd. Poszukiwania tych procesów wspomogły dwa teleskopy, które zakończyły swoje misje w 2013 roku, ale nadal są skarbnicą nowych informacji dla naukowców – Planck (ESA) i Herschel (Kosmiczne Obserwatorium Herschela, ESA). 

Celem Misji Planck było badanie anizotropii, czyli pewnych nierównomierności, kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. Z kolei teleskop Herschel prowadził obserwacje w zakresie dalekiej podczerwieni i fal submilimetrowych. Oba zostały wyniesione w tym samym czasie (14 maja 2009) na orbitę wokół jednego z punktów libracyjnych układu Ziemia-Słońce, czyli takiego punktu, w którym oddziaływania grawitacyjne Ziemi o Słońca równoważą się. Zarówno Planck jak i Herschel działały ponad 4 lata. 

Wizualizacja satelity misji Planck w przestrzeni kosmicznej. Źródło: ESA

 W ramach badań astronoma Juana D. Solera z Instytutu Astronomicznego im. Maxa Plancka w Heidelbergu opracowane zostały niezwykłe obrazy pochodzące z tych dwóch misji. Można z nich odczytać wpływ pól magnetycznych na chmury gazu, które są potencjalną siedzibą nowych gwiazd. 

Na podstawie danych z Obserwatorium Herschela szczegółowo odtworzono obrazy pasm gęstej materii rozpiętych w obłokach molekularnych w obrębie całej Drogi Mlecznej. Pasma tego typu mogą „plątać się” i zagęszczać, co skutkuje formacją gwiazdy w tym miejscu. Dzięki nałożeniu na siebie danych z Obserwatorium Herschela i danych dotyczących fluktuacji pola magnetycznego z misji Planck można teraz zauważyć zależność między liniami pola magnetycznego a gęstymi supłami na pasmach materii. 

Obraz mgławicy Ro Ophiuchi z danych Herschela z nałożonymi liniami pola magnetycznego z danych Plancka. Źródło: ESA

Obraz mgławicy Orion B z danych Herschela z nałożonymi liniami pola magnetycznego z danych Plancka. Źródło: ESA

Od lat w gronie naukowym prowadzone były dyskusje o możliwym związku między polem magnetycznym a procesem powstawania gwiazd, ale przed danymi pozyskanymi z Plancka były to jedynie spekulacje. Teraz, dzięki połączeniu informacji z tych dwóch misji, mogą się rozpocząć dalsze badania w tym kierunku.