2017-07-11
Kategoria: Wszechświat

Ekstremalne zjawiska w Kosmosie – temperatury

Mgławica Motyl (NGC 6302) w gwiazdozbiorze Skorpiona, jedna z najjaśniejszych na niebie. Rozciąga się na 2 lata świetlne. Umierająca gwiazda centralna, jedna z najgorętszych w Drodze Mlecznej (250 0000C), gwałtownie wyrzuca gaz.

Nie potrafimy pojąć, jak wielki i skomplikowany jest Wszechświat. Nasze umysły wyewoluowały, by polować w celu zdobycia pożywienia i by wchodzić w interakcje z innymi istotami ludzkimi. W związku z tym potrafimy myśleć w skali godzin, miesięcy i lat oraz potrafimy wyobrażać sobie odległości w metrach i kilometrach, ale większe liczby tracą swój sens. Ich skala i wielkość Wszechświata wykraczają znacznie poza to, co nasze umysły są w stanie przetworzyć.

Niewątpliwie rozbłyski gamma (GRB) są najsilniejszym źródłem promieniowania elektromagnetycznego we Wszechświecie. Hipernowe, masywne gwiazdy, które kończą swój żywot widowiskowym, ale śmiercionośnym rozbłyskiem gamma, emitują strumienie naładowanych cząstek z prędkością światła. Gdyby taki rozbłysk zdarzył się w odległości tysiąca lat świetlnych od Ziemi, do atmosfery dostałoby się tyle energii, ile powstaje przy wypromieniowaniu dwóch mas spoczynkowych Słońca (tj. energii, jaką byśmy uzyskali, zamieniając w jednej chwili całe Słońce w promieniowanie). Zobaczylibyśmy potężny błysk światła, a patrzący w niebo byliby oślepieni. Sam impuls trwa tylko sekundy, ale po kilku godzinach skutki są jeszcze bardziej wstrząsające.

Taka moc niszczy warstwę ozonową – tarczę przed promieniowaniem UV ze Słońca. Ludzie i zwierzęta zostają śmiertelnie poparzeni, a rośliny płoną. DNA ocalałych ludzi, zwierząt i roślin ulega uszkodzeniu. Rozbite cząsteczki atmosfery tworzą nad Ziemią obłoki trujących gazów: atomy tlenu i azotu łączą się, powstaje duszący, brązowy gaz – dwutlenek azotu, znany jako smog. Grube i ciężkie powłoki kwaśnych chmur blokują promienie słoneczne, klimat się ochładza, poziom oceanów obniża się. Nastaje nowa epoka lodowcowa.

Prawdopodobnie właśnie rozbłysk gamma był powodem masowych wymierań na Ziemi (m.in. Wymierania w Ordowiku, 438 mln lat temu, kiedy zginęło ponad 85% gatunków). Ryzyko takiego zdarzenia wynosi 1%, ale naukowcy odkryli gwiazdę, która zbliża się do kresu życia. Znajduje się blisko, 8 000 lat świetlnych od nas, a oś jej rotacji skierowana jest w stronę Ziemi.

 

Ekstremalne temperatury

W porównaniu z innymi planetami Ziemia jest dość gościnnym miejscem. W końcu zamieszkują ją różne formy życia, które potrzebują, żeby temperatura nie była ani zbyt niska, ani zbyt wysoka. Jednak każdy, kto odwiedził afrykańską pustynię latem albo spędził zimową noc w Skandynawii, wie, że nawet nasza „całkiem umiarkowana” planeta jest w stanie wywołać na swojej powierzchni niewiarygodną skalę temperatur, które znacznie przekraczają zakres, jaki my, wrażliwi ludzie, możemy bez problemów znieść. Ekstrema temperatur na Ziemi sięgają od 58°C odnotowanych w 1922 roku w Al-Azizija w Libii aż do przejmujących do szpiku kości -89°C odnotowanych w 1983 roku na stacji Wostok na Antarktydzie. Oczywiście, większa część wnętrza Ziemi jest znacznie gorętsza niż którekolwiek z miejsc na jej powierzchni, podczas gdy niektóre części ziemskiej atmosfery są znacznie zimniejsze.

Nawet najbardziej surowe klimaty, jakie może zaoferować Ziemia, nie są w ogóle porównywalne z tym, co można napotkać w innych miejscach Wszechświata. W najgłębszych zakątkach kosmosu istnieją miejsca biliony razy gorętsze niż najgorętsza sauna i inne rejony tak zimne, że sylwester na Syberii wydaje się być idealnym miejscem na plażowy piknik.

Pas Oriona. Trzy gorące gwiazdy, od lewej – Alnitak (temp. powierzchni 24 0000C), Alnilam (25 0000C) i Mintaka (29 5000C), w konstelacji zjawiskowo pięknego Oriona. To błękitne nadolbrzymy (odległe o 817-1342 lata świetlne), znacznie masywniejsze, jaśniejsze (90.000 – 375.000 razy) i gorętsze od Słońca (55000C).

Powoli = zimno, szybko = gorąco

Na początek zastanówmy się przez chwilę, co znaczą słowa „gorący” i „zimny”.

Materia w swoich zwykłych formach (stałej, ciekłej i gazowej) składa się z atomów i cząsteczek. W formie stałej atomy albo cząsteczki są utrzymywane nieruchomo na miejscu jak połączone ze sobą kawałki układanki. W stanie płynnym cząsteczki mogą się poruszać, ale na ogół nadal pozostają pozlepiane w duże grupy. Natomiast w gazie każdy atom albo molekuła porusza się niezależnie i może podążyć, gdzie tylko jej się spodoba.

Ciała stałe, ciecze i gazy łączy ze sobą to, że tworzące je atomy albo cząsteczki nieustannie drgają. W ciele stałym każda cząsteczka nigdy nie oddala się od przeznaczonego jej miejsca, niemniej jednak każdy atom drga w tę i z powrotem. (Wyobraźmy sobie układankę, w której kawałki nie pasują do siebie idealnie, a każdy kawałek ma miejsce, by poruszać się tam i z powrotem, choć zawsze pozostaje na swoim miejscu). W cieczy albo gazie cząsteczki tańczą szaleńczo w przypadkowych kierunkach, jak samochodzik w wesołym miasteczku, który wymknął się spod kontroli.

Tym, co mierzy temperatura w skali mikroskopowej, jest prędkość tych drgań i wibracji. Niezależnie od tego, czy coś jest ciałem stałym, cieczą, czy gazem, może znaleźć się w stanie, w którym te przypadkowe ruchy są powolne i łagodne, albo w takim, w którym są one szaleńczo szybkie. Powolny ruch atomów albo cząsteczek odpowiada przedmiotowi chłodnemu, a szybki ich ruch oznacza, że jest on gorący. Ochłódźmy coś, a poszczególne cząsteczki spowolnią swoje ruchy do spokojnego walca. Ogrzejmy to, a zaczną tańczyć gorączkowego kozaka.

Oznacza to, że tak naprawdę

nie ma górnej granicy dla temperatury

– jeśli zaczniemy coś podgrzewać, cząsteczki we wnętrzu będą skakać coraz szybciej. Pamiętając o tym, możemy teraz zadać pytanie:

Jak gorąco może być Wszechświecie?

Zacznijmy od Słońca, gigantycznej płonącej kuli gazu, tak gorącej i intensywnej, że nawet spoglądanie na nią jest niebezpieczne. Temperatura powierzchni Słońca wynosi około 5500°C, czyli jest gorąca, ale nie niewyobrażalnie gorąca. Powierzchnia Słońca jest mniej więcej pięć razy gorętsza niż płomień świecy albo prawie dwukrotnie gorętsza niż płomień palnika. To wystarczająco dużo, by stopić wolfram, ale niewystarczająco dużo, by doprowadzić go do wrzenia.

Istnieją jednak inne gwiazdy, które są gorętsze niż Słońce.

Wszyscy wiemy, że jeśli podgrzewa się coś, to coś się żarzy. Pogrzebacz w ogniu żarzy się na ciemnopomarańczowo albo czerwono, natomiast zwykła (żarowa) żarówka działa w ten sposób, że rozżarza wolframowy drucik do kilku tysięcy stopni, tak że żarzy się na żółto albo biało. Są to szczególne przypadki powszechnego procesu, który po raz pierwszy trafnie wyjaśnił niemiecki fizyk Max Planck: właściwie każdy obiekt (czy to na Ziemi, czy w przestrzeni kosmicznej) wysyła światło, a kolor tego światła jest związany z temperaturą obiektu.

Możemy dostrzec ten efekt, znany jako prawo promieniowania ciała doskonale czarnego albo prawo Plancka, gdy patrzymy na różnokolorowe gwiazdy. Nasze Słońce jest dość przeciętną gwiazdą. Temperatura jego powierzchni wynosi 5500°C, co daje żółtawe światło, tak jak przewiduje równanie Plancka.

Betelgeza, ogromna, jasna gwiazda w gwiazdozbiorze Oriona (jedna z największych znanych gwiazd we Wszechświecie) jest chłodniejsza, ma około 3200°C, a więc nawet dla nieuzbrojonego oka ma łatwo dostrzegalny czerwony odcień. Najjaśniejsza gwiazda na naszym nocnym niebie, Syriusz (znany również jako Psia Gwiazda), ma temperaturę powierzchniową około 10 000°C, co nadaje jej błękitne zabarwienie.

Istnieją jednak inne gwiazdy, niewidoczne gołym okiem, które są znacznie gorętsze od Syriusza. Tak naprawdę

wszystko dzieje się głęboko w jądrze gwiazdy, w którym furia syntezy jądrowej wytwarza całe ciepło i światło gwiazdy nawet przez miliardy lat.

Kiedy typowa gwiazda wyczerpuje całe paliwo, rozdyma większość swoich zewnętrznych warstw w powolnie rozszerzającą się powłokę gazu, okrywającą znajdujące się w środku jądro. Jądro – mała, gęsta kula helu, węgla i cięższych pierwiastków – nie spala już gazu w drodze syntezy jądrowej, ale wciąż jest nieprawdopodobnie gorąca.

Ten umierający niedopałek, biały karzeł, należy do najgorętszych gwiazd we Wszechświecie

– tak gorących, że rozpala otaczającą go powłokę wyrzuconego gazu we wspaniale żarzącą się chmurę nazywaną mgławicą planetarną.

Piekło na Czerwonym Pająku

Jak gorący jest zatem nowo powstały biały karzeł? Obecny rekordzista znajduje się w centrum pięknej mgławicy planetarnej. Ta żarząca się chmura gazu, nazywana przez astronomów NGC 6537, ale znana powszechniej jako Czerwony Pająk, znajduje się w odległości około 2000 lat świetlnych w kierunku konstelacji Strzelca. (Rok świetlny to odległość, jaką można by przebyć w ciągu jednego roku, gdyby poruszać się z prędkością światła, czyli około 10 bilionów kilometrów. Zatem 2000 lat świetlnych to około 20 000 bilionów kilometrów!).

Przez cały XX wiek biały karzeł znajdujący się w centrum Czerwonego Pająka nie został zaobserwowany, a jego temperatura pozostawała nieznana. Są dwa główne powody, dla których takie gwiazdy trudno jest zobaczyć.

Po pierwsze, są to maleńkie obiekty płonące w samym środku otaczających je żarzących się i jaśniejących chmur. Często jasność i złożoność mgławicy planetarnej przesłania widok znajdującej się w jej centrum gwiazdy.

Drugim powodem jest natomiast to, że ekstremalne gorąco takiej gwiazdy czyni ją niemal niewidoczną. Prawo promieniowania ciała doskonale czarnego sformułowane przez Plancka głosi, że temperatura ciała decyduje o jego kolorze. Syriusz, którego powierzchnia ma temperaturę 10 000°C, jest tak gorący, iż żarzy się na niebiesko.

Co się dzieje, jeśli gwiazda jest jeszcze gorętsza niż błękitny Syriusz? W takich przypadkach prawo Plancka nadal znajduje zastosowanie, ale gwiazda będzie żarzyć się kolorem wykraczającym poza skalę, na którą wrażliwe są nasze oczy albo zwykłe teleskopy. W szczególności obiekty znacznie gorętsze od Syriusza będą żarzyć się w ultrafiolecie albo w paśmie promieni rentgenowskich. Różne temperatury i ich związek z różnymi kolorami wyrażany przez prawo promieniowania ciała doskonale czarnego pokazuje, że na pozór odrębne zjawiska, takie jak promieniowanie ultrafioletowe i promieniowanie rentgenowskie, są tak naprawdę częściami szerszego widma elektromagnetycznego. Widmo elektromagnetyczne obejmuje całą skalę różnych kolorów, sięgającą daleko poza srebrzyste światło, które mogą zobaczyć nasze oczy.

Białe karły są pogrzebane głęboko w swoich mgławicach planetarnych i tak gorące, że nie emitują wiele światła widzialnego, lecz zamiast tego głównie ultrafioletowe i rentgenowskie części widma.

Nie jest zatem zbyt zaskakujące, że supergorąca gwiazda w środku mgławicy Czerwony Pająk pozostawała niewidoczna przez wiele lat. Dopiero w 2005 roku Minkako Matsuura i jego współpracownicy użyli potężnego Kosmicznego Teleskopu Hubble’a umieszczonego ponad atmosferą Ziemi do zidentyfikowania maleńkiego punkciku światła odpowiadającego białemu karłowi znajdującemu się w centrum Czerwonego Pająka. Dzięki tej obserwacji i dalszym badaniom astronomowie dokonali precyzyjnych pomiarów koloru gwiazdy, a następnie, wykorzystując prawo Plancka, obliczyli jej temperaturę.

Wyniki wprawiły w osłupienie – temperatura powierzchni gwiazdy w centrum mgławicy Czerwony Pająk to niewiarygodne 300 000°C, ponad 50 razy wyższa niż na Słońcu i 30 razy niż na potężnym Syriuszu.

Ta zadziwiająca gwiazda z jej ekstremalną temperaturą i spektakularnie świecącą mgławicą, która ją otacza, budzi nie tylko akademickie zainteresowanie. Wpatrując się w Czerwonego Pająka, widzimy nasz przyszły los. Za około 5 miliardów lat Słońcu również skończy się paliwo i w podobny sposób będzie rozszerzać swoje zewnętrzne warstwy. Z naszej gwiazdy i Układu Słonecznego pozostanie jedynie cudowna mgławica planetarna, rozświetlana przez intensywnie gorącego białego karła w jej centrum.

Rozmiary i temperatury największych Gwiazd

i porównanie z planetami Układu Słonecznego

(Najedź myszą na slajd – uaktywnisz strzałki nawigacyjne)

123

O Autorze

 > John Lennon „Imagine”: Imagine there’s no Countries... Imagine no Possession... Nothing to Kill or Die For... And no Religion too... No Need for Greed or Hunger... A Brotherhood of Man... (Niestety, John, dziś żyjemy w innym świecie. Twoje idee, lepsze czy gorsze, zostały wypaczone). Mahatma Gandhi: Na początku cię ignorują. Potem śmieją się z ciebie. Następnie z tobą walczą. W końcu wygrywasz • Siedem grzechów społecznych: polityka bez zasad, bogactwo bez pracy, przyjemność bez sumienia, wiedza bez osobowości, wiara bez poświęcenia, nauka bez człowieczeństwa oraz handel bez moralności • Religie to różne drogi prowadzące do tego samego celu. Jakaż to jest różnica, którą z nich wybierzemy? Jaki cel więc mają te kłótnie między nami? • Słabi nigdy nie potrafią przebaczać. Przebaczenie jest cnotą silnych • Jakże wielkiej daniny grzechu i błędów wymaga od człowieka bogactwo i władza • Nie znam większego grzechu niż uciskanie słabszych w imieniu Boga • Jest wiele powodów, dla których mogę być przygotowany na śmierć, ale nie ma żadnego, dla którego gotów byłbym zabić. Albert Einstein: Nie ma rzeczywistości samej w sobie, są tylko obrazy widziane z różnych perspektyw • Gdy miałem dwadzieścia lat, myślałem tylko o kochaniu. Lecz później kochałem już tylko myśleć • Tylko dwie rzeczy są nieskończone: wszechświat i ludzka głupota. Co do tej pierwszej istnieją jednak pewne wątpliwości • Nauka bez religii jest kaleka, religia bez nauki jest ślepa • Jestem bardzo głęboko religijnym niewierzącym • Gospodarcza anarchia społeczeństwa kapitalistycznego w jego dzisiejszej formie jest, moim zdaniem, prawdziwym źródłem zła • Wszyscy wokół wiedzą, że czegoś nie da się zrobić. I wtedy pojawia taki, który o tym nie wie, i on właśnie to coś robi • Nie wiem, jaka broń będzie użyta w trzeciej wojnie światowej, ale czwarta będzie na maczugi.



Ruch Lotniczy nad Ziemią 24H

Artykuły w Kategoriach:

Poznaj Chiny

Pogoda

Warszawa
2017-10-19, 22:05
Przeważnie pochmurno
13°C
Odczuwalna: 13°C
Ciśnienie: 1020 mb
Wilgotność: 81%
Wiatr: 1 m/s E
Prognoza: 2017-10-19
dzień
Przelotne zachmurzenie
18°C
noc
Przelotne chmury
9°C
 

Teleskop Hubble'a