Jesteśmy „dziećmi gwiazd”. To dzięki gwiazdom zaistniało życie nasze, tak jak i wszystkich pozostałych organizmów na Ziemi. Napisałem „gwiazdom” w licznie mnogiej, a przecież wszyscy wiemy, że życiodajną energią obdarza nas tylko Słońce – jedna niezbyt duża gwiazda określana zresztą przez astronomów dość dziwnie jako żółty karzeł. Jedna mała gwiazda z niepoliczalnej ich ilości wędrujących po czeluściach Wszechświata.
Słońce to stosunkowo młoda gwiazda, której istnienie stało się możliwe z obłoku gazu i pyłu powstałego po śmierci wcześniejszych, dużo większych gwiazd. Mamy szczęście, że nasze Słońce jest niewielkie, co gwarantuje jego długowieczność. Zdziwienie może budzić fakt, że im gwiazda jest większa, tym szybciej się spala i szybciej umiera. Możemy się cieszyć życiem również z tego powodu, że nasza planeta Ziemia krąży w strefie najbardziej bezpiecznej. Bliżej Słońca byłoby dla nas za gorąco, a dalej za zimno. Ale może najciekawsze jest to, że wszystkie pierwiastki chemiczne tworzące nasze ziemskie ciała otrzymaliśmy z wielkich wczesnych gwiazd, które dawno umarły.
Pierwsze gwiazdy zapaliły się osiągając wystarczającą temperaturę dzięki ściskającej sile grawitacji gęstniejącej materii Wszechświata w pierwotnych mgławicach po Wielkim Wybuchu. Były to błękitne giganty – kuliste kotły bulgocącego wodoru, które powstały w bardzo szczególnych miejscach rodzącego się Wszechświata. Gazowa materia, która wtedy powstała nie rozprzestrzeniała się równomiernie, ale ulegała lokalnym zagęszczeniom, które wyjaśnia się funkcjonowaniem niewidocznej ciemnej materii. Pomysł na istnienie ciemnej materii musi budzić zdziwienie. Nie widać jej, ponieważ nie emituje światła. No to powinna je przynajmniej odbijać, tak jak robi to księżyc ze światłem słonecznym. Ale nie, ona woli się przed nami ukrywać.
Na tym nie koniec mojego zadziwienia proponowanym przez astrofizyków modelem naszego Wszechświata. Trudno to sobie bowiem wyobrazić, że szacują oni, iż ciemna materia stanowi aż 95,2% całej materii Wszechświata, a materia normalna (tzn. widoczna dla nas) to tylko 4,8%. Ale jak mam uwierzyć, że tak dokładnie ustalono te ilości. I że we Wszechświecie istnieje jeszcze ciemna energia. Ale o ciemnej energii i pozostałych ukrywających się obiektach kosmicznych przy innej okazji.
Przyjmuje się, że po około 200 mln lat od Wielkiego Wybuchu pierwotne mgławice zaczęły rodzić pierwsze gwiazdy na skutek rosnącej grawitacji w miejscach lokalnego zagęszczania się znanej nam materii w węzłach sieci utworzonej przez ciemną materię. To ona ma tworzyć we Wszechświecie coś w rodzaju rusztu utrzymującego w ryzach zwykłą materię. Wkraczamy tu jednak w niepoznawalny zakres czasu wczesnego Wszechświata. W kolejnych etapach powstawały całe galaktyki gwiezdne, w których wokół gwiazd tworzyły się ich układy planetarne.
W supermasywnych gwiazdach niemowlęcego Wszechświata zaszły pierwsze procesy termojądrowej syntezy helu z izotopów wodoru (deuteru i trytu). W następnych pokoleniach gwiazd zachodziła termojądrowa synteza kolejnych pierwiastków o coraz większej masie, aż do atomów żelaza wypełniającego ich jądra. W ten sposób powstały najważniejsze, obok wodoru, pierwiastki budujące struktury naszego ciała i zapewniające jego funkcjonowanie – węgiel, tlen, azot, fosfor i siarka. Te tak powszechnie występujące na Ziemi pierwiastki zostały zsyntetyzowane w gwiazdach, po których we Wszechświecie pozostały zaledwie ślady. Informacja o tym, że te gwiazdy były dociera do nas po wielu miliardach lat z krańców Wszechświata w postaci promieniowania tła. Śladem po pierwszych gwiazdach jesteśmy my, nasza Ziemia, nasze Słońce i biliony innych gwiazd
Synteza pierwiastków cięższych od żelaza nie generuje energii, a wręcz wymaga jej dostarczenia. Zachodzi to w kolejnych pokoleniach gwiazd dzięki dalszym procesom syntezy termojądrowej w oparciu o zasoby wodoru. We wszystkich gwiazdach trwa to dopóki gwieździe w jej piecu wystarcza paliwa – wodoru i helu-3 (3He). Później gwiazda zaczyna umierać. Jakimś „zrządzeniem losu” gwiezdne olbrzymy bardzo łapczywie wykorzystują tylko wodór znajdujący się we wnętrzu ich jąder; później szybko umierają. Wodór znajdujący się w warstwach zewnętrznych tych masywnych gwiazd „dostał” inne przeznaczenie.
Kiedy olbrzymiej gwieździe zabraknie wodoru (i helu), żelazne jądro nie generuje energii. Skutek jest taki, że ciśnienie wewnętrzne maleje i przestaje równoważyć siły grawitacji gwiezdnego jądra, i wtedy wielka gwiazda zaczyna się zagęszczać, kurczy się i zapada się sama w sobie. Następuje wówczas wybuch tzw. supernowej. „Supernowa” – znowu kłamstwo. Tak przewrotnie astrofizycy nazwali umierające masywne gwiazdy, ponieważ umierając wyrzucają olbrzymią ilość energii, i stają się niezwykle jasnymi obiektami we Wszechświecie. Ma miejsce fala uderzeniowa światła, temperatury i gorącego gazu. Jakże trudno uwierzyć, że w kosmosie rodzi się wtedy jasność nowej wielkości, ponieważ bardzo masywnej gwieździe zabrakło paliwa.
Istnieje pogląd, że wybuch supernowej zachodzi najczęściej w podwójnym układzie gwiezdnym. Kiedy dwie gwiazdy wirują blisko siebie wokół wspólnego środka ich łącznej masy, gwiazda bardziej masywna wykrada mniejszej jej zewnętrze powłoki gazowe zawierające wodór. Gwiazda pozbawiona paliwa musi umrzeć eksplodując jako supernowa. Taki sam los czeka później również drugą gwiazdę, kiedy skończy jej się wykradzione paliwo.
Układy podwójne mogą tworzyć również gwiazdy neutronowe. Ich zderzenie ma prowadzić do anihilacji ich masy przekształcającej się w ogromną ilość energii w postaci neutronów i protonów. Proponuje się również powstawanie tzw. „materii dziwnej”; w reakcji łańcuchowej z jej kwarków „górnych”, dolnych” i „dziwnych” tworzą się hipotetyczne „dziwadełka”. Czy aby na pewno?
Supernowe mają różną historię i różny dalszy ciąg procesów prowadzących do ostatecznej śmierci macierzystych gwiazd. Zależnie od wielkości gwiazdy sprzed eksplozji może powstać gwiazda neutronowa lub czarna dziura, albo też nic nie pozostanie. Po przejściu w stadium gwiazd neutronowych powstają we Wszechświecie najgroźniejsze potwory siejące zniszczenie w swoim kosmicznym otoczeniu. Charakteryzują się przy tym największą gęstością masy. Gęściejsze są tylko czarne dziury.
Kiedy supernowa powstaje z gwiazdy o olbrzymiej masie, zmienia się w czerwonego olbrzyma. Wyrzuca wtedy w przestrzeń kosmiczną ze swoich zewnętrznych warstw wielkie ilości gazu i zsyntetyzowanych wcześniej pierwiastków. Znajdują się one poza polem sił grawitacyjnych jądra umierającej gwiazdy; powstają nowe, wyjątkowo piękne (barwne) mgławice planetarne. Jądro gwiazdy przechodzi wtedy w stadium bardzo gęstego białego karła ( jeszcze świeci, ale już słabo grzeje). Schładzająca się pozostałość masywnej gwiazdy pożera jednak z najbliższych orbit swoje skaliste planety. W końcowym etapie powstanie hipotetyczny czarny karzeł. „Hipotetyczny”, ponieważ uważa się, że Wszechświat jest jeszcze za młody, żeby istniały już czarne karły.
Gwiazdy o małej masie (1,1-1,4 masy Słońca) po wyczerpaniu paliwa również stają się białymi karłami, tyle tylko że nieaktywnymi. Po śmierci wszystkich gwiazd i galaktyk pozostaną białe karły (jądra małych gwiazd), pulsary i czarne dziury (po największych gwiazdach). O czarnych dziurach będzie w następnym wpisie. Białe karły mają kolejną zadziwiającą właściwość – mogą świecić generując dodatkową energię i światło w procesie procesu krystalizacji w swoim jądrze zestalonych atomów węgla lub węgla i tlenu. Taki los czeka wszystkie małe gwiazdy, w tym również nasze Słońce. Wszechświat będzie przepełniony czarnymi gwiezdnymi diamentami.
We Wszechświecie mogą istnieć jeszcze gwiazdopodobne ciała niebieskie dużo mniejsze niż Słońce. Żyją bardzo oszczędnie pod względem energetycznym, ale bardzo szybko wirując, wysyłają jednak w kosmos swoje rozbłyski. Po milionach lat zmieniają się w błękitne karły.
Najmniejszymi ciałami gwiazdopodobnymi są brązowe karły. Jeżeli daleko od układów gwiezdnych w zapadającym się obłoku gazu i pyłu zabraknie masy uruchamiającej wystarczająco potężną grawitację, reakcja termojądrowa nie zostaje uruchomiona i gwiazda nie zapala się. Niedoszła mała „gwiazda” staje się wielką skalistą superplanetą dryfującą w przestrzeni międzygwiezdnej. Z resztek gazu i pyłu może nawet wokół niej formować się lokalny układ planetarno-księżycowy.
W całym obiegu materii w cyklu narodzin i śmierci gwiazd ma miejsce walka o gazowe paliwo (wodór i hel). Ale nie tylko gwiazdy toczą wojny o paliwo; toczą je również całe galaktyki. Mniejsze i większe galaktyki napędzane siłą grawitacji zbliżają się do siebie, przenikają i powodują wielki lokalny chaos. Mniejsze umierają, a większe ulegają zniekształceniom. Takich kolizji co najmniej dwukrotnie doświadczyła nasza Droga Mleczna miliardy lat temu ze strony małej galaktyki satelitarnej SagDEG (10x mniejsza od Drogi Mlecznej). Prawdopodobnie wynikiem tych zdarzeń jest zniekształcenie (wygięcie) początkowo stosunkowo płaskiego dysku naszej galaktyki.
Galaktyka SagDEG, po prawdopodobnie grawitacyjnym „wyrwaniu” jej z Wielkiego Obłoku Magellana przez Drogę Mleczną, okrąża naszą galaktykę w cyklu trwającym około miliarda lat. Jest duże prawdopodobieństwo kolejnej kolizji za jakieś 10 mln lat. Przewiduje się, że zostanie ona jednak ostatecznie rozerwana przez pole grawitacyjne Drogi Mlecznej.
Kiedy dwie galaktyki przenikają się, większa, mając silniejsze pole magnetyczne rozrywa mniejszą i pożera jej materię. Mniejsza umiera, a większa zaczyna rodzić nowe gwiazdy. Takie kolizje powodują wzajemne oddziaływania dwóch lub nawet trzech czarnych dziur, które były w centrach pierwotnych galaktyk. Połączone w kosmicznym tańcu czarne dziury superwielkiej galaktyki (kwazaru) wysyłają w przestrzeń międzygalaktyczną silne promieniowanie elektromagnetyczne i wyrzucają poza galaktykę gwiazdy tzw. superprędkościowe.
Kwazar świeci mocniej niż najjaśniejsze gwiazdy rodzimej galaktyki. Ostatecznie większa czarna dziura pożera mniejszą, i wtedy z jądra powstającej supergalaktyki w przestrzeń Wszechświata wystrzeliwują silnie dżety (strumienie) olbrzymiej niszczycielskiej energii (od fal radiowych po promieniowanie gamma). Jeżeli strumienie energii wysyłane są wprost w kierunku obserwatora (ziemskiego czy sondy kosmicznej) kwazarowi przypisuje się nazwę Blazar. Ale Wszechświat się rozszerza i galaktyki oddalają się od siebie. Zatem ostatecznie, jeżeli nie dojdzie do następnej galaktycznej kolizji i zasilenia nową materią, nawet supergalaktyka musi umrzeć.
Wszechświat rozszerzając się, powoli zaczyna jednak przygasać, bo jego zasoby wodoru maleją; rodzi się mniej nowych gwiazd niż umiera starych. Większe gwiazdy umierają młodo, pozostają mniejsze, które starzeją się dużo wolniej. Kres życia gwiezdnych olbrzymów określany jest na około „tylko” 10 mln lat. Naszemu stosunkowo młodemu Słońcu, które jest żółtym karłem, kosmolodzy i fizycy teoretyczni dają jeszcze jakieś 4 do 10 mld lat życia. Co za określenie – „żółty karzeł”, ale przeogromne w ludzkiej skali Słońce, w skali gwiezdnego świata jest karłem.
Powiększa się przestrzeń międzygalaktyczna, ale nie jest ona pusta. Jest zapełniona rozrzedzonym gazem i pyłem, wysokoenergetycznymi cząstkami, atomami wodoru i helu (dużo mniej). Tworzą one silnie świecące kolorowe obłoki międzygwiezdne. Teleskopy śledzące je odbierają nie tylko światło, ale również dźwięki – obłoki międzygwiezdne wibrują i „śpiewają”. Tam też w wyniku grawitacyjnego zapadania się tworzących się lokalnych skupień materii powstają nowe gwiazdy.
We Wszechświecie odkrywane są tzw. „superpustki” zawierające dużo mniej materii i gwiazd, niż powinny zawierać albo zawierają śladowe ilości materii. Jest to dużą zagadką, ponieważ nie pasuje do przyjętej teorii wielkoskalowej struktury Wszechświata.
Kosmolodzy uważają, że w „normalnej” przestrzeni międzygalaktycznej, podobnie jak w przestrzeni międzygwiezdnej, nie ma żadnych reguł. Panuje tam wielki chaos, pędzą wyrzucone z galaktyk samotne gwiazdy i wyrzucone z układów gwiezdnych samotne planety (często są to niedoszłe gwiazdy) oraz drobniejszy gruz lodowo-skalny. Stamtąd rozprzestrzenia się śmiercionośne promieniowanie i wyrzucane są obiekty skalne o różnej wielkości. Wyrzucone w kierunku Ziemi, mogą dla naszej planety stanowić duże zagrożenie.
W poszukiwaniu samotnych (swobodnych) planet wykorzystywane jest mikrosoczewkowanie grawitacyjne powodowane przez taką planetę, jeżeli znajdzie się ona w jednej linii między świecącą gwiazdą a teleskopami odbierającymi światło gwiazdy. Mikrosoczewkowanie przewidywała ogólna teoria względności Alfreda Einstein, ale do doświadczalnego udowodnienia ugięcia fal świetlnych w wyniku mikrosoczewkowania mijały całe dziesięciolecia. Warto w tym miejscu dopowiedzieć, że znaczący udział w poszukiwaniu swobodnych planet mają polscy astronomowie z Uniwersytetu Warszawskiego.
Stałym zagrożeniem dla ziemskiego życia jest wysokoenergetyczne promieniowanie. Chroni nas przed nim tarcza heliosfery, ale jest ona „dziurawa” Część promieniowania kosmicznego dociera do Ziemi i powoduje mutacyjne zmiany w DNA. Z jednej strony może to doprowadzać do śmierci, ale z drugiej sprzyja ewolucji ziemskich organizmów w procesie doboru naturalnego.
Umierają nie tylko gwiazdy; umierają również całe galaktyki. Mniejsze mogą być nawet rozrywane przez układy większych, które w ten sposób mogą pozyskiwać nowe zasoby paliwa. Zawierające miliardy gwiazd duże galaktyki łącza się swoimi polami grawitacyjnymi w grupy galaktyk, a te w bardzo duże gromady galaktyk.
Galaktyki znajdujące się na zewnątrz gromady galaktyk szybko tracą paliwo (zimny gaz) wyrzucane w przestrzeń pozagalaktyczną. Podobnie dzieje się wewnątrz galaktyk. Nasz układ słoneczny znajduje się na peryferiach Drogi Mlecznej, która, mimo że ma jeszcze sporo wodoru, powoli przestaje rodzić nowe gwiazdy. Ocenia się, że obecnie rodzi ich jeszcze kilka rocznie. To, że dzieje się to „na naszych oczach” też jest trudne do uwierzenia.
W grupach galaktyk mogą występować tysiące galaktyk karłowatych, które mogą zawierać najwyżej kilka milionów gwiazd. Wędrują one w sposób dość chaotyczny przenikając czasem przez duże galaktyki. Ponieważ odległości miedzy gwiazdami są ogromne, zwykle nie dochodzi do poważnych kolizji. Czasem jednak karłowata galaktyka powoduje odkształcenia w napotkanej dużej galaktyce. Dowodem tego mogą być odkształcenia w ramionach naszej galaktyki Drogi Mlecznej.
Wróćmy jednak na poziom gwiazd, tych umierających. Dalszy los ogromnych supernowych jest niezwykły; zmieniają się w czerwone olbrzymy, które wyrzucają w przestrzeń kosmiczną ze swoich zewnętrznych warstw (znajdujących się poza polem sił grawitacyjnych umierającej gwiazdy) wielkie ilości gazu i zsyntetyzowanych wcześniej pierwiastków. Supernowa przechodzi wtedy w stadium bardzo gęstego karła; jeszcze świeci, ale już słabiej grzeje. Schładzająca się pozostałość masywnej gwiazdy pożera z najbliższych orbit swoje skaliste planety „gotując” je w temperaturze powyżej 650oC i uwalniając znajdujące się w nich ciężkie pierwiastki.
Z wyrzuconego w przestrzeń gazu i pierwiastków powstają nowe mgławice rodzące później nowe gwiazdy i nowe planety. W ten sposób po wybuchu supernowej jakieś 4,6 mld lat temu, około 9 mld lat po „Wielkim Wybuchu” narodziło się nasze Słońce i jego planety, w tym nasza Ziemia. Materiał, z którego powstał cały układ słoneczny, zawierał już wszystkie ciężkie pierwiastki, w tym niezbędne do zaistnienia życia – C, O, N, S, P. Powstawały one około 10 mld lat temu, kiedy Wszechświat był najjaśniejszy.
Wróćmy do typowych gwiazd. Te o masie przekraczającej 2-3 mas Słońca, umierają jako emitujące rozbłysk supernowe. Stosunkowo szybko, w ciągu kilkudziesięciu lat, w wyniku fuzji protonów i elektronów, stają się gwiazdami neutronowymi. Kiedy umierają gwiazdy dużo większe, o masie odpowiadającej 8-30 mas Słońca, powstające z nich (po fazie czerwonych nadolbrzymów) gwiazdy neutronowe wyrzucają w przestrzeń kosmiczną ogromną ilość energii, i przyjmują formę pulsarów.
Promieniowanie pulsarów, wbrew nazwie, jest ciągłe, ale ściśle ukierunkowane biegunowo przez linie pola magnetycznego. A ponieważ obroty własne tych gwiazd są niewyobrażalnie duże, impulsy elektromagnetyczne wysyłane w tym samym, ściśle określonym przez linie pole magnetyczne kierunku, pojawiają się dokładnie co kilka milisekund do kilku sekund. Efekt jest podobny do funkcjonowania latarni morskiej, tylko, że ma określony kierunek i znacznie większą częstotliwość. Warto podkreślić, że zegar pulsarowy jest około 100 razy dokładniejszy od zegara atomowego. Nie mniej to ten drugi przyjęliśmy na Ziemi jako wzorzec pomiaru czasu.
Pulsary o bardzo dużym natężeniu pola magnetycznego mogą emitować strumienie fal elektromagnetycznych w pełnym zakresie – od promieniowania gamma, poprzez światło widzialne, po fale radiowe albo wybiórczo, np. tylko fale radiowe. Z odległych przestrzeni Wszechświata najczęściej odbierane są tylko fale radiowe, ponieważ te krótsze, o większej częstotliwości nie przebijają się przez obłoki kosmicznego gazu i pyłu i są rozpraszane w przestrzeni Wszechświata.
Najdziwniejszą właściwością pulsarów jest ich zawrotna prędkość wirowania, od jednego obrotu na kilka sekund do 1 obrotu na kilka milisekund. Dla porównania: Ziemia na jeden obrót potrzebuje 24 godzin, Słońce – 30 dni. Co tak napędza bardzo małe (o średnicy np. 20 km) niezwykle gęste i ciężkie obiekty? Przy średnicy niemal 1,4 mln km, mają one masę większą niż masa Słońca (którego masa ma blisko 2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kg). Według jednej z hipotez szybkoobrotowe pulsary mogą otrzymywać napęd od materii wyrzucanej przez pobliską gwiazdę, tworzącej wokół pulsara wirujący dysk akrecyjny.
Ciekawym efektem generowanym przez pulsary są dźwięki, których wysokość jest uzależniona od szybkości wirowania tych gwiazd. Są to akustyczne fale uderzeniowe wysyłane w regularnym rytmie, zgodnym z rytmem wyrzutu strumienia (dżetu) promieniowania elektromagnetyczego. Akustyczne fale uderzeniowe są generowane również przez pozostałe ciała niebieskie, a ich zakres daleko przekracza możliwości usłyszenia ludzkim uchem.
Część gwiazd neutronowych przez pewien okres swojego życia to magnetery emitujące wąski zakres promieniowania gamma. Ich promieniowanie nie ma charakteru pulsacyjnego. Obserwuje się też dłuższe przerwy w jego emisji, a w miarę jak ich pole magnetyczne słabnie, przestają emitować promieniowanie elektromagnetyczne.
Wiedza o naszym, tak trudnym do zrozumienia Wszechświecie, jest wynikiem wielkiego wysiłku astronomów, kosmologów, astrofizyków oraz konstruktorów coraz doskonalszych teleskopów naziemnych i wysyłanych w kosmos. Największy postęp w poznawaniu Wszechświata przyniosło ostatnie sto lat. Wysyłamy w przestrzeń kosmiczną kolejne coraz lepiej wyposażone sondy badające coraz dalsze jej zakątki. Czego jeszcze o nim się dowiemy? Czy istnieją jakieś granice jego poznawania?
Okazuje się, że nadszedł czas na stworzenie trójwymiarowej mapy badanego nieba. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) rozpoczęła realizację ogromnego projektu EUCLID, nazwanego tak w hołdzie twórcy geometrii – Euklidesowi. W przygotowaniu projektu brali udział również polscy specjaliści.
Europejski kosmiczny teleskop Euclid (średnica 120 cm, masa 2 t) został wystrzelony za pomocą amerykańskiej rakiety Falcon 9. Do roku 2029 ma on zmapować około 1/3 przestrzeni kosmicznej. Już w roku 2024 otrzymano pierwsze rewelacyjne obrazy przestrzenne 1% nieba. Obejmowały one kilkadziesiąt milionów gwiazd Drogi Mlecznej oraz kilkanaście milionów dalszych galaktyk. Misja kosmiczna EUCLID ma bardzo ambitny program; ma dostarczać informacje o ciemnej materii i ciemnej energii domniemanych siłach rządzących Wszechświatem.
Teleskopy wysyłane w kosmos mają swoje ograniczenia dotyczące wielkości i konstrukcji. Wymagają wystrzelenia przy pomocy odpowiedniej rakiety, a potem uruchomienia układów sterujących i rozłożenia luster. Dlatego nadal doskonalone są teleskopy naziemne. Najnowszy, i największy zbudowany został w obserwatorium im. Very Rubin (pionierki badań nad ciemną materią), zlokalizowanym na pustyni Atakama w chilijskich Andach.
Teleskop ten ma średnicę blisko 4 m, co pozwala na zapis około 3 tys. megapikseli z szerokiego pola widzenia 3,5 stopnia. Dzięki zainstalowanym filtrom pozwala na detekcję fal od bliskiej podczerwieni do ultrafioletu. Obserwacja podczas jednej nocy pozwala zarejestrować do 16 TB danych. Zakres prowadzonych badań jest bardzo obszerny – od obiektów układu słonecznego i naszej galaktyki Drogi Mlecznej, przez ewolucję galaktyk, aktywność supernowych i kwazarów, po badanie funkcjonowania hipotetycznej ciemnej materii i ciemnej energii.