Život na hlavnej sekvencii: Ako sa vyvíjajú hviezdy

Hviezdy sú niektoré zo základných stavebných blokov vesmíru. Nielenže vytvárajú galaxie, ale mnoho z nich má aj planetárne systémy. Pochopenie ich formácie a evolúcie dáva dôležité vodítko pre pochopenie galaxií a planét.

Slnko nám dáva prvotriedny príklad na štúdium, práve tu v našej vlastnej slnečnej sústave. Je to len osem svetelných minút, takže nemusíme dlho čakať, kým uvidíme na jeho povrchu prvky. Astronómovia majú niekoľko satelitov študujúcich Slnko a už dlho poznajú základy jeho života. Na jednej strane je to stredný vek a priamo v období svojho života sa nazýva „hlavná sekvencia“. Počas tejto doby vo svojom jadre spája vodík, aby vytvoril hélium.

V celej svojej histórii slnko vyzeralo skoro rovnako. Pre nás to bol vždy tento žiariaci, žltkastobiely predmet na oblohe. Nezdá sa, že by sa to zmenilo, aspoň pre nás. Je to preto, že žije vo veľmi odlišnom časovom rámci ako ľudia. Mení sa však, ale veľmi pomaly v porovnaní s rýchlosťou, v ktorej žijeme naše krátke a rýchle životy. Ak sa pozrieme na život hviezdy na stupnici veku vesmíru (asi 13,7 miliárd rokov), potom Slnko a ďalšie hviezdy žijú celkom normálne. To znamená, že sa rodia, žijú, vyvíjajú a potom zomierajú desiatky miliónov alebo miliardy rokov.

Aby astronómovia porozumeli tomu, ako sa vyvíjajú hviezdy, musia vedieť, aké typy hviezd existujú a prečo sa od seba navzájom odlišujú dôležitými spôsobmi. Jedným z krokov je „triediť“ hviezdy do rôznych košov, rovnako ako ľudia môžu triediť mince alebo guľky. Hovorí sa tomu „hviezdna klasifikácia“ a hrá významnú úlohu pri porozumení toho, ako hviezdy fungujú.

Astronómovia triedia hviezdy do série „košov“ pomocou týchto charakteristík: teplota, hmotnosť, chemické zloženie atď. Na základe teploty, jasu (svietivosti), hmotnosti a chémie je Slnko klasifikované ako stredný vek. hviezda to sa v období svojho života nazýva „hlavná sekvencia“.

Prakticky všetky hviezdy trávia väčšinu svojho života v tejto hlavnej sekvencii, kým nezomrú; niekedy jemne, niekedy násilne.

Základné vymedzenie toho, čo vytvára hviezdu s hlavnou sekvenciou, je toto: je to hviezda, ktorá v jadre spája vodík s héliom. Vodík je základným stavebným kameňom hviezd. Potom ho použijú na vytvorenie ďalších prvkov.

Keď sa vytvorí hviezda, je to tak preto, lebo sa oblak plynného vodíka začína sťahovať (ťahať spolu) gravitačnou silou. To vytvára hustú, horúcu protostar v strede oblaku. To sa stáva jadrom hviezdy.

Hustota v jadre dosahuje bod, v ktorom je teplota najmenej 8 až 10 miliónov stupňov Celzia. Vonkajšie vrstvy protostar sa vtláčajú do jadra. Táto kombinácia teploty a tlaku začína proces nazývaný jadrová fúzia. To je bod, keď sa narodí hviezda. Hviezda sa stabilizuje a dosahuje stav nazývaný „hydrostatická rovnováha“, čo je vtedy, keď je vonkajšie žiarenie tlak z jadra je vyvážený obrovskými gravitačnými silami hviezdy, ktorá sa snaží zrútiť Samotný. Keď sú všetky tieto podmienky splnené, hviezda je „v hlavnej sekvencii“ a jej životnosťou sa v jadre premieňa vodík na hélium.

Hmota hrá dôležitú úlohu pri určovaní fyzikálnych charakteristík danej hviezdy. Poskytuje tiež informácie o tom, ako dlho bude hviezda žiť a ako zomrie. Čím väčšia je hmotnosť hviezdy, tým väčší gravitačný tlak sa snaží hviezdu zrútiť. Aby bolo možné bojovať s týmto väčším tlakom, hviezda potrebuje vysokú mieru fúzie. Čím väčšia je hmotnosť hviezdy, tým väčší je tlak v jadre, tým vyššia je teplota a tým väčšia rýchlosť fúzie. To určuje, ako rýchlo hviezda spotrebuje palivo.

Obrovská hviezda rýchlejšie spojí svoje zásoby vodíka. Tým sa odoberie hlavná sekvencia rýchlejšie ako hviezda s nízkou hmotnosťou, ktorá používa palivo pomalšie.

Keď hviezdy dochádzajú vodík, začnú vo svojich jadrách spájať hélium. To je, keď opustia hlavnú sekvenciu. Stávajú sa hviezdy vysokej hmotnosti červené supergiantya potom sa z nich stáva modré supergianty. Fúzuje hélium na uhlík a kyslík. Potom ich začne spájať do neónu a tak ďalej. V podstate sa hviezda stáva továrňou na chemickú výrobu, pričom fúzia sa objavuje nielen v jadre, ale vo vrstvách obklopujúcich jadro.

Nakoniec sa hviezda veľmi vysokej hmotnosti snaží roztaviť železo. Toto je bozk smrti pre túto hviezdu. Prečo? Pretože tavenie železa vyžaduje viac energie, ako má k dispozícii hviezda. To zastaví fúziu továrne mŕtvy v jeho stopách. Ak sa tak stane, vonkajšie vrstvy hviezdy sa zhroutia na jadre. Stáva sa to veľmi rýchlo. Vonkajšie okraje jadra zapadajú najskôr úžasnou rýchlosťou asi 70 000 metrov za sekundu. Keď to zasiahne železné jadro, všetko sa začne odraziť a to vytvorí nárazovú vlnu, ktorá vytrhne hviezdou za pár hodín. Pritom sa vytvárajú nové, ťažšie prvky, keď predná časť nárazu prechádza materiálom hviezdy.
Tomu sa hovorí supernova „core-collapse“. Vonkajšie vrstvy nakoniec vystúpia do vesmíru a zostane zborené jadro, ktoré sa stane a neutrónová hviezda alebo čierna diera.

Hviezdy s hmotnosťou medzi polovicou solárnej hmoty (to je polovica hmoty Slnka) a asi osem solárnych hmôt budú vtláčať vodík do hélia, kým sa palivo nespotrebuje. V tom okamihu sa z hviezdy stane červený obr. Hviezda začne fúzovať hélium na uhlík a vonkajšie vrstvy sa rozširujú, aby z hviezdy urobili pulzujúci žltý obor.

Keď je väčšina hélia roztavená, hviezda sa znova stáva červeným obrom, ešte väčším ako predtým. Vonkajšie vrstvy hviezdy sa rozširujú do vesmíru a vytvárajú planétová hmlovina. Jadro uhlíka a kyslíka zostane pozadu vo forme a biely trpaslík.

Hviezdy menšie ako 0,5 slnečnej hmoty budú tiež tvoriť biele trpaslíky, ale nebudú schopné taviť hélium kvôli nedostatku tlaku v jadre od ich malej veľkosti. Preto sú tieto hviezdy známe ako trpaslíci bieleho hélia. Rovnako ako neutrónové hviezdy, čierne diery a supergianti, tieto už nepatria do hlavnej sekvencie.