Hviezdy: Vznik, život a zánik

Matej HrabušaFyzikálny seminár14.10.2010

Obsah

• Vznik hviezd: globula a protohviezda• Fyzika hviezdneho vnútra: termojadrová fúzia• Zánik hviezd: červený obor, supernova• Osudy jadier rôzne hmotných hviezd: biely

trpaslík, neutrónová hviezda, čierna diera

Vznik hviezd

• Hviezdy sa nám javia ako stálice. Ak by sme však začali vnímať čas v merítku života hviezd, zistili by sme ich životný cyklus je dynamický a často až neuveriteľne dramatický proces.

• Vznikajú z mračien prachu a plynu, ktoré sú ale také riedke, že skôr pripomínajú vákuum, aké sme schopní vytvoriť na Zemi.

Globula a Protohviezda

• Globula je malá, tmavá, približne guľatá hmlovina. Vďaka gravitačnej kontrakcii sa globula zmršťuje a zahrieva.

• Protohviezda alebo prahviezda je obdobie vývoja hviezdy po tom, ako oblaky vodíka a hélia začali kontrakciu a predtým, ako hviezda dosiahla hlavnú postupnosť.

Hertzsprung–Russellov diagram

Slnko

• Naša najbližšia hviezda, svetlo z neho letí na Zem približne 8 minút a 20 sekúnd.

• Výkon Slnka: Každú sekundu sa premení 592 miliónov ton vodíka na 587,9 milióna ton hélia. Zvyšných 4,1 milióna ton sa premení na energiu - stály svietivý výkon Slnka je 383 miliárd miliárd megawattov energie!

Fyzika hviezdneho vnútra• Proces jadrovej fúzie, ktorou Slnko uvoľňuje svoju energiu

je séria 3 zrážok medzi atómovými časticami. Nazýva sa protón-protónový cyklus, pri ktorom sa spájajú 4 vodíkové jadrá (protóny) do jedného héliového jadra a uvolňuje sa energia.

• V jadre prebieha aj ďalší reťazec jadrových reakcií, nazývaný CNO cyklus podľa značiek prvkov uhlíka, dusíka a kyslíka, ktoré pri ňom vznikajú. Neskôr, keď sa vyčerpá značná časť vodíka v jadre hviezdy, začne sa hviezda vlastnou gravitáciou stláčať a teplota v jadre vzrastie natoľko, že začne ďalší cyklus. Pri Salpeterovej reakcií sa zlučujú 3 jadrá hélia a vzniká uhlík. Popri tom sa udržuje vodíkový cyklus, ibaže sa presúva do vyšších vrstiev hviezdy, ešte bohatých na vodík.

Zánik hviezd• Hviezda vstupuje do fázy svojho zániku, keď skončia

jadrové reakcie v jej vnútri. Tým sa hviezda stane nestabilnou.

• Hviezda o relatívne malej hmotnosti v priebehu miliárd rokov spáli jadrové palivo a stane sa z nej červený obor. Ten sa potom rozloží a vytvorí planetárnu hmlovinu (oblak prachu a plynu) obklopujúcu bieleho trpaslíka.

• Hviezda o veľkej hmotnosti spáli svoje jadrové palivo rýchlejšie (niekoľko miliónov rokov) a stane sa z nej veleobor (gigant). Ten potom vybuchne obrovskou explóziou zvanou supernova. Zvyšné jadro vytvorí neutrónovú hviezdu, alebo čiernu dieru.

Červený obor

• Červený obor je veľká hviezda mimo hlavnej postupnosti typu K alebo M, červenej farby. Patrí sem napríklad Aldebaran a Arktúr. Je to jedno zo záverečných štádií vývoja hviezd do 1,4 hmotnosti Slnka.

Supernova• Termín supernova sa vzťahuje na niekoľko typov

hviezdnych explózií, ktorými vznikajú extrémne jasné objekty zložené z plazmy, ktorých jasnosť potom v priebehu týždňov či mesiacov opäť o mnoho radov klesá.

• K tomuto koncu vedú dve možné cesty: alebo ide o masívnu hviezdu, ktorá vo svojom jadre vyčerpala zásoby paliva pre fúziu a začala sa zmršťovať pod silou svojej vlastnej gravitácie, alebo o bieleho trpaslíka, ktorý nahromadil materiál od svojho hviezdneho sprievodcu, dosiahol Chandrasekharovu medzu a prešiel termonukleárnou explóziou. V oboch prípadoch výsledná explózia supernovy rozmetá obrovskou silou väčšinu alebo všetku hmotu hviezdy.

Super Supernova• Pri extrémne hmotných hviezdach (dosahujúcich

hmotnosti 150 násobku Slnka) nedochádza pri explózii supernovy k následnému vzniku čiernej diery, ale k tzv. Super Supernove.

• Superhmotné hviezdy produkujú také veľké množstvo gama žiarenia, že na konci ich života sa časť tohto žiarenia premení na hmotu a antihmotu, väčšinou na elektróny a pozitróny. Gama žiarenie svojou energiou "chráni" vonkajšie vrstvy hviezdy pred kolapsom (zrútením). Pri vzniku hmoty a antihmoty táto ochrana zmizne, vonkajšie vrstvy hviezdy padajú dovnútra, začína sa termonukleárna explózia, ktorá hviezdu zničí.

Biely trpaslík• Červený obor stráca pri zániku až 90% svojej hmoty, ktorá

potom okolo kolabujúceho jadra vytvára planetárnu hmlovinu.

• Pri zmršťovaní je hmota jadra stlačovaná omnoho viac ako by to bolo možné na Zemi. V určitom okamihu však už jadro ďalšiemu stlačovaniu odoláva a stáva sa bielym trpaslíkom o hmotnosti neprekračujúcej 1,4 násobok hmotnosti Slnka a veľkosti podobnej Zemi.

• Ich hustota je tak veľká, že čajová lyžička ich hmoty by na Zemi vážila 1,4tony.

• Chandrasekharova medza je maximálna hmotnosť bieleho trpaslíka pri ktorej ešte zostáva stabilný. Je rovná 2,9 × 1030 kg, teda 1,44 hmotnosti Slnka.

Neutrónová hviezda

• Keď niektorá hmotná hviezda exploduje ako supernova, jej jadro môže prežiť. Pokiaľ má jadro hmotnosť medzi 1,4 a 3 násobku hmotnosti Slnka, gravitácia ho zmrští tak, že sú jeho protóny a elektróny vtlačené do seba a vzniknú tak neutróny.

• Pri priemere hviezdy asi 10km, sa proces jej zmršťovania zastaví. Niektoré neutrónové hviezdy sú zo Zeme pozorované ako pulzary, ktoré vyžarujú dve zväzky žiarenia.

Pulzar

• Pulzar je rotujúce neutrónová hviezda, vysielajúca rádiové vlny v podobe pulzov. Pomerne tenké lúče žiarenia vychádzajú z blízkosti oboch pólov a pri rotácii vytvárajú efekt blikajúceho majáku.

Kvarková hviezda• Kvarková hviezda (Podivná hviezda) je hypotetický typ

hviezdy zloženej z kvarkov známych pod označením podivné.

• Hmotnosť a hustota kvarkovej hviezdy je niekde medzi neutrónovou hviezdou a čiernou dierou.

• Kvarková hviezda môže vzniknúť z neutrónovej pomocou kvarkového oslobodenia. Tento proces môže spôsobiť kvarknovu a uvoľniť nesmierne množstvo energie. Je možné že tzv. záblesky gama žiarenia sú v skutočnosti explózie kvarknov.

• Ak je kvarkovej hviezde dodané dostatočné množstvo hmoty, zmení sa na čiernu dieru.

Čierna diera• Keď hviezda exploduje ako supernova, môže zanechať

hrútiace sa jadro. V jadre, ktorého hmotnosť prevyšuje trojnásobok hmotnosti Slnka, gravitácia úplne prekonáva rozpínavosť stlačenej hmoty jadra.

• Gravitačný kolaps je proces, pri ktorom sa teleso pôsobením gravitačnej sily nekontrolovane zrúti samo do seba, do singularity.

• Gravitačná singularita sa vyskytuje, keď astrofyzický model, spravidla založený na všeobecnej teórii relativity, predpokladá bod nekonečnej zakrivenosti časopriestoru.

Zdroje

– http://astroportal.sk/– http://www.boinc.sk/– http://www.ovesmire.webzdarma.cz/– http://www.quark.sk/– http://hockicko.uniza.sk/– http://www.wikipedia.org/– http://www.aldebaran.cz/astrofyzika/