Nasze życie, tak jak wszystkich pozostałych organizmów na Zemi, jest możliwe dzięki gwiazdom. Piszę „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 gwiazda z niepoliczalnej ich ilości wędrujących po czeluściach Wszechświata. Słońce to stosunkowo młoda gwiazda, której istnienie stało się możliwe dzięki śmierci innych, 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 planeta Ziemia krąży w strefie najbardziej bezpiecznej. Bliżej Słońca byłoby dla nas za gorąco, a dalej za zimno.
Ale może nawet nie to jest najważniejsze, ale to, że wszystkie pierwiastki chemiczne tworzące nasze ziemskie ciała są darem 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” (temat wpisu nr. 13). 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 swiatła. No to powinna je przynajimniej odbijać, tak jak robi to księżyc ze światłem słonecznym.
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%. A jak mam uwierzyć, że we Wszechświecie istnieje jeszcze ciemna energia? Ale o tym przy innej okazji.
Podoba mi się natomiast hipoteza, że ciemna materia tworzy we Wszechświecie coś w rodzaju rusztu ściągającego do siebie zwykłą materię. Po około 200 mln lat pierwotne mgławice zaczęły rodzić pierwsze gwiazdy na skutek rosnącej grawitacji w miejscach lokalnego zagęszczania się materii. 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 jej całe jądro. 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 nie ma już śladu.
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 wykorzystują tylko wodór znajdujący się we wnętrzu ich jąder; później umierają. Wodór znajdujący się w warstwach zewnętrznych tych masywnych gwiazd „dostał” inne przeznaczenie.
Pisząc wyżej „nie ma śladu” skłamałem. Śladem po pierwszych gwiazdach jesteśmy my, nasza Ziemia, nasze Słońce i biliony innych gwiazd oraz docierające dopiero teraz do nas promieniowanie tych wczesnych olbrzymów. A wszystko dzięki temu, że pierwsze supermasywne gwiazdy młodo umarły w wybuchach tzw. supernowych. „Supernowe” – znowu kłamstwo. Tak przewrotnie astrofizycy nazwali umierające masywne gwiazdy, ponieważ umierając wyrzucają olbrzymią ilość energii, i stają się niezwykle jasnymi obiektmi we Wszechświecie. Jakże trudno uwierzyć, że w kosmosie rodzi się wtedy jasność nowej wielkości, ponieważ bardzo masywnej gwieździe zabrakło paliwa.
Fizyka Wszechświata jest pełna zaskakujących zjawisk i trudna do zrozumienia. 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 zapada się sama w sobie. Istnieje pogląd, ze wybuch supernowej zachodzi najczęściej w podwójnym układzie gwiezdnym. Kiedy dwie gwiazdy wirują blisko siebie wokół wspólnego środka ich łącznej masy, gwiazda bardziej masywna wykrada mnjiejszej jej zewnętrze powłoki gazowe zawierające wodór. Gwiazda pozbawiona paliwa musi umrzeć eksplodując jako supernowa. Taki sam los czeka później również drugą gwiazdę.
Teraz Wszechświat powoli zaczyna przygasać, bo jego zasoby wodoru maleją; rodzi się mniej nowych gwiazd niż umiera starych. A ponieważ większe gwiazdy umierają młodo, pozostają mniejsze, które starzeją się dużo wolniej. Naszemu stosunkowo młodemu Słońcu, które jest żółtym karłem. Co za określenie – przeogromne w ludzkiej skali Słońce, w skali gwiezdnego świata jest karłem. Według różnych źródeł kosmolodzy i fizycy teoretyczni dają jeszcze jakieś 4 do 10 mld lat życia, podczas gdy kres życia gwiezdnych olbrzymów określany jest na około „tylko” 10 mln lat.
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. 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 sie to „na naszych oczach” też jest trudne do uwierzenia.
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.
Gwiazdy o masie mniejszej, 1,1-1,4 masy Słońca, po wyczerpaniu paliwa stają się nieaktywnymi białymi karłami. 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 zestalonych atomów węgla lub węgla i tlenu w swoim jądrze. Taki los czeka wszystkie małe gwiazdy, w tym również nasze Słońce. Wszechświat będzie przepełniony czarnymi gwiezdnymi diamentami.
We Wszechświecie występują jeszcze dużo mniejsze niż Słońce, gwiazdopodobne ciała niebieskie, w tym małe czarne karły. Żyją bardzo oszczędnie pod względem energetycznym, i 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 formować się wokół niej lokalny układ planetarno-księżycowy.
Wróćmy do typowych gwiazd. Te o masie przekraczającej 2,3 masy 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 odpowiadajacej 8-30 mas Słońca, powstające z nich gwiazdy neutronowe wyrzucają w przestrzeń kosmiczną ogromną ilość energii, i przyjmują formę pulsarów. Ich promieniowanie, 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.
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, o masie większej niż masa Słońca (którego masa ma blisko 2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 k), a średnicę niemal 1,4 mln km)? 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 pozostają gwiazdami neutronowymi, które 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. Czego jeszcze o nim dowiemy się? Czy istnieją jakieś granice jego poznawania?