Vår himmel är täckt i ett hav av stjärnspöken; alla potentiella fantom som har varit döda i miljoner år och ändå vet vi inte det ännu. Det är vad vi kommer att diskutera i dag. Vad händer med den största av våra stjärnor, och hur det påverkar själva sammansättningen av universum vi bor i.
Vi börjar denna resa med att observera krabba-nebulosan. Dess vackra färger sträcker sig utåt i det mörka tomrummet; en himmelgrav som innehöll en våldsam händelse som inträffade för tusentals år sedan. Du når ut och med handflickan börjar du spola tillbaka tiden och titta på denna vackra nebulosa börjar krympa. När klockan lindar bakåt börjar nebulärans färger förändras, och du märker att de krymper till en enda punkt. När kalendern närmar sig den 5 juli 1054 lyser det gasformiga molnet och sätter sig på en enda punkt på himlen som är lika ljus som fullmånen och är synlig under dagen. Ljusstyrkan bleknar och så småningom låg en ljuspunkt; en stjärna som vi inte ser idag. Denna stjärna har dog, men just nu skulle vi inte ha vetat det. För en observatör före detta datum verkade denna stjärna evig, som alla andra stjärnor gjorde. Men som vi vet från vår privilegierade utsiktspunkt är denna stjärna på väg att bli supernova och födda en av de mest spektakulära nebulosorna som vi observerar idag.
Stellar spöken är ett lämpligt sätt att beskriva många av de stora stjärnorna vi ser utspridda över hela universum. Vad många inte inser är att när vi tittar djupt in i universum tittar vi inte bara över stora avstånd utan vi tittar tillbaka i tiden. En av de grundläggande egenskaperna för universum som vi känner ganska väl är att ljuset går med en begränsad hastighet: ungefär 300.000.000 m / s (ungefär 671.000.000 mph). Denna hastighet har bestämts genom många rigorösa tester och fysiska bevis. I själva verket är att förstå denna grundläggande konstant en nyckel till mycket av det vi vet om universum, särskilt vad gäller både allmän relativitet och kvantmekanik. Trots detta är kunskapen om ljusets hastighet nyckeln till att förstå vad jag menar med stjärnspöken. Du förstår, information rör sig med ljusets hastighet. Vi använder ljuset från stjärnorna för att observera dem och för detta förstå hur de fungerar.
Ett anständigt exempel på denna tidsfördröjning är vår egen sol. Vår sol är ungefär 8 ljus minuter bort. Det betyder att ljuset vi ser från vår stjärna tar 8 minuter att göra resan från ytan till våra ögon på jorden. Om vår sol plötsligt skulle försvinna just nu, skulle vi inte veta om den på 8 minuter; detta inkluderar inte bara det ljus vi ser, utan till och med dess gravitationspåverkan som utövas på oss. Så om solen försvann just nu, skulle vi fortsätta i vår omloppsbana om vår nu obefintliga stjärna i ytterligare 8 minuter innan gravitationsinformationen nådde oss och informerade oss om att vi inte längre är bundna till den. Detta fastställer vår kosmiska hastighetsgräns för hur snabbt vi kan ta emot information, vilket innebär att allt vi observerar djupt in i universum kommer till oss som det var en 'x' mängd för år sedan, där 'x' är dess ljusavstånd från oss. Det betyder att vi observerar en stjärna som ligger tio år bort från oss som för 10 år sedan. Om den stjärnan dog just nu, skulle vi inte veta om den i ytterligare tio år. Således kan vi definiera det som ett "stellar spöke"; en stjärna som är död ur sitt perspektiv på sin plats, men som fortfarande är levande och bra hos oss.
Såsom behandlas i en tidigare artikel av mig (Stjärnor: En dag i livet) är utvecklingen av en stjärna komplex och mycket dynamisk. Många faktorer spelar en viktig roll i allt från att avgöra om stjärnan till och med kommer att bilda i första hand, till storleken och därmed livstiden för nämnda stjärna. I den föregående artikeln som nämns ovan, täcker jag grunderna för stjärnbildning och livet för det vi kallar huvudsekvensstjärnor, eller snarare stjärnor som liknar vår egen sol. Medan bildningsprocessen och livet för en huvudsekvensstjärna och stjärnorna vi kommer att diskutera är ganska lika, finns det viktiga skillnader i hur stjärnorna vi kommer att undersöka dör. Stjärnödarna i huvudsekvensen är intressanta, men de jämför knappast de rymdböjande sätt som dessa större stjärnor avslutar.
Som nämnts ovan, när vi observerade den länge borta stjärnan som låg i mitten av krabbnebulan, fanns det en punkt där detta objekt glödde ljust som fullmånen och kunde ses under dagen. Vad kan få något att bli så ljust att det skulle kunna jämföras med vår närmaste himmelska granne? Med tanke på Crab Nebula är 6.523 ljusår bort, vilket innebar att något som är ungefär 153 miljarder gånger längre bort än vår måne sken lika ljust som månen. Detta berodde på att stjärnan gick supernova när den dog, vilket är ödet för stjärnor som är mycket större än vår sol. Stjärnor större än vår sol kommer att hamna i två mycket extrema tillstånd vid dess död: neutronstjärnor och svarta hål. Båda är värdefulla ämnen som kan sträcka sig över veckor i en astrofysik-kurs, men för oss idag kommer vi helt enkelt att gå igenom hur dessa gravitationsmonster bildas och vad det betyder för oss.
En stjärns liv är en berättelse om nära flyktig fusion som ingår i greppet av sin egen gravitationella närvaro. Vi kallar den hydrostatiska jämvikten, i vilken det utåtriktade trycket från smältelementen i en stjärns kärna är lika med det för det inre gravitationstrycket som appliceras på grund av stjärnmassan. I kärnan i alla stjärnor smälts väte till helium (till en början). Detta väte kom från nebulosan som stjärnan föddes från, som sammanföll och kollapsade, vilket gav stjärnan sin första chans på livet. Under stjärnans livstid kommer vätet att användas och mer och mer helium-aska kondenseras i mitten av stjärnan. Så småningom kommer stjärnan att få slut på väte och fusionen kommer att stoppa kort. Denna brist på utåttryck på grund av att ingen fusion äger rum tillfälligt tillåter tyngdkraften att vinna och det krossar stjärnan nedåt. När stjärnan krymper ökar densiteten och därmed temperaturen i stjärnans kärna. Så småningom når den en viss temperatur och heliumaska börjar smälta. Detta är hur alla stjärnor fortsätter genom huvuddelen av sitt liv och in i de första stadierna av sin död. Men det är här solstora stjärnor och de massiva stjärnorna vi diskuterar delvis.
En stjärna som är ungefär så stor som vår egen sol kommer att gå igenom denna process tills den når kol. Stjärnor av denna storlek är helt enkelt inte tillräckligt stora för att smälta kol. Således, när all helium har smält till syre och kol (via två processer som är för komplexa för att täcka här), kan stjärnan inte "krossa" syre och kol tillräckligt för att starta sammansmältning, tyngdkraften vinner och stjärnan dör. Men stjärnor som har tillräckligt mer massa än vår sol (ungefär 7x massan) kan fortsätta förbi dessa element och fortsätta att skina. De har tillräckligt med massa för att fortsätta denna "kross och säkring" -process som är de dynamiska interaktionerna i hjärtat av dessa himmelugnar.
Dessa större stjärnor kommer att fortsätta sin fusionsprocess förbi kol och syre, förbi kisel, tills de når järn. Järn är den dödsanmärkningen som sjunger av dessa flammande behemoter, som när järn börjar fylla sin nu döende kärna, är stjärnan i sina dödskast. Men dessa massiva energikonstruktioner går inte tyst in på natten. De går ut på de mest spektakulära sätten. När den sista av icke-järnelementen smälter samman i sina kärnor börjar stjärnan sin anständiga till glömska. Stjärnan kommer kraschar in på sig själv eftersom den inte har något sätt att avvärja gravitationens obevekliga grepp, krossa de efterföljande lagren av kvarvarande element från dess livstid. Detta inre fritt fall möts i en viss storlek med en omöjlig kraft att bryta; ett neutrondegenergatryck som tvingar stjärnan att återhämta sig utåt. Denna enorma mängd gravitations- och kinetisk energi springer ut igen med ett raseri som lyser upp universumet och skisserar hela galaxer på ett ögonblick. Denna raseri är livets blod i kosmos; trumman slår i den galaktiska symfonin, eftersom denna intensiva energi möjliggör fusion av element som är tyngre än järn, hela vägen till uran. Dessa nya element sprängs utåt av denna fantastiska kraft, rider på vågorna av energi som kastar dem djupt in i kosmos och sås universum med alla de element som vi känner till.
Men vad finns kvar? Vad finns det efter denna spektakulära händelse? Allt beror igen på stjärnans massa. Som nämnts tidigare är de två formerna som en död massiv stjärna antingen är en Neutron Star eller en Black Hole. För en Neutron Star är formationen ganska komplex. I huvudsak inträffar händelserna som jag beskrev, utom efter supernovaerna, allt som finns kvar är en boll av degenererade neutroner. Degenerat är helt enkelt en term som vi tillämpar på en form som materien tar på sig när den komprimeras till de gränser som fysiken tillåter. Något som är degenererat är intensivt tätt, och detta gäller mycket för en neutronstjärna. Ett nummer du kanske har hört kastat är att en tesked neutronstjärnmaterial skulle väga ungefär 10 miljoner ton och ha en utrymningshastighet (hastigheten som behövs för att komma bort från gravitationsdragningen) på cirka 0,4c, eller 40% hastigheten av ljus. Ibland lämnas neutronstjärnan med otroliga hastigheter, och vi betecknar dessa som pulsarer; namnet härrör från hur vi upptäcker dem.
Dessa typer av stjärnor genererar massor av strålning. Neutronstjärnor har ett enormt magnetfält. Detta fält påskyndar elektroner i deras stellära atmosfärer till otroliga hastigheter. Dessa elektroner följer magnetfältlinjerna för neutronstjärnan till dess poler, där de kan släppa radiovågor, röntgenstrålar och gammastrålar (beroende på vilken typ av neutronstjärna det är). Eftersom denna energi koncentreras till polerna skapar den en slags fyreffekt med högenergistrålar som fungerar som ljusstrålarna från en fyr. När stjärnan roterar sveper dessa strålar många gånger per sekund. Om jorden, och därmed vår observationsutrustning, råkar vara orienterad med denna pulsar, kommer vi att registrera dessa ”pulser” av energi när stjärnstrålarna tvättar över oss. För alla pulsars vi känner till är vi mycket för långt borta för att dessa strålar av energi ska skada oss. Men om vi var nära en av dessa döda stjärnor skulle denna strålning som tvättas över vår planet kontinuerligt stava en viss utrotning för livet som vi känner till det.
Vad för den andra formen som en död stjärna tar; ett svart hål? Hur inträffar detta? Om degenererat material är så långt vi kan krossa materia, hur visas ett svart hål? Enkelt uttryckt är svarta hål resultatet av en otydlig stor stjärna och därmed en verkligt massiv mängd materia som kan "bryta" detta neutrondegenerationspress vid kollaps. Stjärnan faller väsentligen inåt med en sådan kraft att den bryter mot denna till synes fysiska gräns, vänder sig på sig själv och lindar upp rymdtiden till en punkt med oändlig densitet; en singularitet. Denna fantastiska händelse inträffar när en stjärna har ungefär 18 gånger den mängd massa som vår sol har, och när den dör är det verkligen symbolen för fysik som har gått till det yttersta. Denna "extra bit av massa" är det som tillåter den att kollapsa denna boll av degenererade neutroner och falla mot oändligheten. Det är både skrämmande och vackert att tänka på; en punkt i rymden som inte helt förstås av vår fysik, och ändå finns det något som vi vet att finns. Det verkligt anmärkningsvärda med svarta hål är att det är som universum som arbetar mot oss. Informationen som vi behöver för att fullt ut förstå processerna i ett svart hål är låst bakom en slöja som vi kallar händelseshorisonten. Detta är punkten med ingen återgång för ett svart hål, för vilket någonting bortom denna punkt i rymden inte har några framtida vägar som leder ut ur det. Ingenting slipper på detta avstånd från den kollapsade stjärnan i dess kärna, inte ens ljus, och därmed lämnar ingen information någonsin denna gräns (åtminstone inte i en form vi kan använda). Det verkliga häpnadsväckande objektets mörka hjärta lämnar mycket att önska, och lockar oss att gå in i dess rike för att försöka känna det ovetande; att ta tag i frukten från kunskapens träd.
Nu måste det sägas, det finns mycket i vägen för forskning med svarta hål i dag. Fysiker som professor Stephen Hawking, bland andra, har outtröttligt arbetat med den teoretiska fysiken bakom hur ett svart hål fungerar, och försökt lösa de paradoxer som ofta dyker upp när vi försöker använda det bästa av vår fysik mot dem. Det finns många artiklar och artiklar om sådan forskning och deras efterföljande resultat, så jag kommer inte att dyka in i deras komplikationer för både att bevara enkelhet i förståelse och för att inte heller ta bort från de fantastiska sinnen som arbetar med dessa frågor. Många antyder att singulariteten är en matematisk nyfikenhet som inte helt representerar vad som fysiskt händer. Att saken inuti en händelseshorisont kan ta nya och exotiska former. Det är också värt att notera att i General Relativity kan allt med massa kollapsa till ett svart hål, men vi håller i allmänhet på ett antal massor eftersom det att skapa ett svart hål med något mindre än vad som är i det massa området är utanför vår förståelse för hur det skulle kunna hända. Men som någon som studerar fysik, skulle jag vara förmånen att inte nämna att vi nu befinner oss i ett intressant tvärsnitt av idéer som handlar mycket intimt om vad som faktiskt händer inom dessa tyngdskådare.
Allt detta leder mig tillbaka till en punkt som måste göras. Ett faktum som måste erkännas. När jag beskrev dessa massiva stjärners dödsfall berörde jag något som inträffar. När stjärnan rivs från sin egen energi och dess innehåll blåses ut i universum, sker något som kallas nukleosyntes. Detta är sammansmältningen av element för att skapa nya element. Från väte upp till uran. Dessa nya element sprängs utåt otroligt snabbt, och därför kommer alla dessa element så småningom att hitta sin väg in i molekylära moln. Molekylära moln (Dark Nebulae) är kosmos stellar plantskolor. Det är här stjärnor börjar. Och från stjärnbildningen får vi planetbildning.
När en stjärna bildas börjar ett moln av skräp som består av det molekylära molnet som födde nämnda stjärna att snurra runt den. Detta moln, som vi nu vet, innehåller alla de element som kokades upp i våra supernovaer. Kolet, syret, silikaten, silveret, guldet; alla närvarande i detta moln. Denna ackretionsskiva om denna nya stjärna är där planeter bildas och sammanfaller ur den berikade miljön. Kulor av sten och is som kolliderar, förenar sig, rivs isär och sedan reformeras när gravitationen arbetar sina flitiga händer för att forma dessa nya världar till möjliga öar. Dessa planeter bildas av samma element som syntetiserades i det kataklysmiska utbrottet. Dessa nya världar innehåller ritningarna för livet som vi känner till det.
På en av dessa världar inträffar en viss blandning av väte och syre. Inom denna blandning bildas vissa kolatomer för att skapa replikerande kedjor som följer ett enkelt mönster. Kanske efter miljarder år hittar samma element som stöttes i universum av den döende stjärnan sig själv som ger liv till något som kan slå upp och uppskatta majestätet som är kosmos. Det kanske har någonting att förstå att kolatomen i den är samma kolatom som skapades i en döende stjärna, och att det inträffade en supernova som gjorde att kolatomen kunde hitta sin väg till den rätta delen av universumet rätt tid. Energin som var det sista döende andetaget från en lång död stjärna var samma energi som tillät livet att ta sitt första andetag och stirra på stjärnorna. Dessa stjärnspöken är våra förfäder. De är borta i form, men förblir ändå inom vårt kemiska minne. De finns i oss. Vi är supernova. Vi är stjärnstoft. Vi är härstammade från stjärnspöken ...
