2017-07-11
Kategoria: Wszechświat

Ekstremalne zjawiska w Kosmosie – temperatury

Sun-Structure-Inner

Słońce – nuklearny piec

Gwiazdy mogą mieć gorącą powierzchnię, ale płomienne piekło w ich wnętrzach jest niewyobrażalnie gorętsze. Nasze Słońce, przeciętna i niewyróżniająca się gwiazda, dostarcza ciepła i światła, które umożliwiają życie. Słońce może być umiarkowane w porównaniu z innymi gwiazdami, ale wciąż jest to robiąca wrażenie bestia.

Słońce waży około 2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ton (czyli jest około 330 tysięcy razy cięższe od Ziemi) i ma średnicę około 1 400 000 kilometrów (109 razy większą od Ziemi). Jeśli chodzi o gaz w jądrze Słońca, około 39% całkowitej masy to wodór, 60% hel, a pozostałe 1% to niewielkie ilości węgla, tlenu, krzemu, żelaza i innych cięższych pierwiastków. (W rzeczywistości niemal wszystkie znane pierwiastki zostały zidentyfikowane na Słońcu w pewnych ilościach. W jego skład wchodzą nawet śladowe ilości srebra, złota i uranu).

Uważa się, że gdy Słońce rozpoczęło swoje życie 4,5 miliarda lat temu, skład jego jądra bardzo różnił się od obecnego – wodór stanowił ponad 72%, 27% hel i 1% – pozostałe. Potężna zmiana składu jądra w ciągu życia Słońca, z 72% wodoru na początku do 39% obecnie, dostarcza istotnej wskazówki dotyczącej ekstremów istniejących w głębokim jego wnętrzu. Mówi nam ona, że ciepło i światło Słońca pochodzi z reakcji syntezy jądrowej, w której wodór jest nieustannie zamieniany w hel, uwalniając ogromne ilości energii w trakcie tego procesu.

Synteza jądrowa na Słońcu to takie samo zjawisko jak to, które zapewnia niszczącą siłę bombie wodorowej, ale na znacznie większą, kosmiczną skalę.

Synteza jądrowa polega na połączeniu ze sobą jąder dwóch atomów wodoru. Nie jest to jednak coś, do czego łatwo jest doprowadzić, ponieważ jądra wodoru mają dodatnie ładunki elektryczne, a dwa dodatnie ładunki będą z całej siły starały się odepchnąć, gdy się je do siebie zbliży. Tylko wtedy, gdy dwa jądra wodoru da się zbliżyć wystarczająco do siebie, tak by właściwie się zetknęły, zwiążą się ze sobą, tworząc hel. Sztuczka polega na zbliżeniu do siebie dwóch jąder wodoru możliwie najszybciej. Jeśli zbliżają się do siebie powoli, będzie wystarczająco dużo czasu, żeby ich odpychające siły zadziałały i pozostaną od siebie oddzielone. Jeśli jednak skieruje się je na siebie z dużą prędkością, odpychanie elektryczne nie będzie mogło ich wystarczająco zwolnić, żeby zapobiec zderzeniu. Na Słońcu, tak jak w bombie wodorowej, proces ten zachodzi dzięki ogrzaniu wodoru do niezwykle wysokiej temperatury.

W takiej wysokiej temperaturze pojedyncze jądro wodoru lata w przypadkowych kierunkach z ogromną prędkością, umożliwiając, dzięki zderzeniom z równie ogromną prędkością, zajście syntezy jądrowej. Obliczenia pokazują, że temperatura potrzebna w jądrze gwiazdy do zajścia tej reakcji wynosi około 5 000 000°C. W takiej temperaturze wszystkie ciała stałe i ciecze zamieniają się w gazy, wszystkie cząsteczki rozpadają się na pojedyncze atomy, a atomy zostają odarte z elektronów, co pozostawia odkryte kryjące się w ich środku jądra.

Choć temperatura 5 000 000°C jest minimum potrzebnym, by gwiazda świeciła dzięki syntezie jądrowej, Słońce jest jeszcze gorętsze, a temperatura jego jądra wynosi około 15 000 000°C!

A Słońce jest niewyróżniającą się gwiazdą. Cięższe gwiazdy wytwarzają jeszcze wyższe temperatury w swoich jądrach – aż do 50 000 000°C.

Okres, w którym gwiazda zmienia wodór w hel, jest nazywany ciągiem głównym i obejmuje większość życia gwiazdy. Słońce znajduje się mniej więcej w połowie swojej fazy ciągu głównego i ma przed sobą jeszcze około 5 miliardów lat. W przypadku znacznie cięższych gwiazd, które świecą jaśniej i spalają swoje paliwo szybciej, ciąg główny może przebiegać nawet tysiąc razy szybciej.

Hertzsprung-Russel-Diagram

Kiedy gwiazda zmieniła cały wodór w swoim jądrze w hel, reakcje syntezy zatrzymują się, a gwiazda zaczyna cierpieć na problemy zdrowotne związane z zaawansowanym wiekiem. W zasadzie wszystkie jądra helu obecne teraz w jej jądrze mogłyby również się łączyć, tworząc cięższe pierwiastki. Ponieważ jednak każde jądro helu ma dwukrotnie większy dodatni ładunek elektryczny niż wodór, odpychanie między dwoma jądrami helu jest znacznie silniejsze niż w przypadku dwóch jąder wodoru. Nawet w takich niezwykle wysokich temperaturach synteza helu po prostu nie następuje.

Gdy jego źródło ciepła się wyczerpuje, jądro gwiazdy zaczyna się zapadać pod działaniem swojej grawitacji, stając się mniejsze, gęstsze i jeszcze gorętsze. Gwiazda staje się wówczas czerwonym olbrzymem. W końcu jądro gwiazdy osiąga temperaturę około 100 000 000°C, w której jądra helu poruszają się wystarczająco szybko, żeby zderzać się ze sobą i tworzyć węgiel. Gwiazda łapie teraz „drugi oddech” i wchodzi w okres względnej stabilności, nazywany fazą gałęzi horyzontalnej ewolucji gwiazd.

Jednak w nieunikniony sposób również hel się kończy. W przypadku gwiazd takich jak Słońce oznacza to niemal natychmiastowy koniec. Jądro będzie się ścieśniać, a gorąco dalej rosnąć, nie ma jednak wystarczającej masy, żeby wyzwolić więcej reakcji jądrowych. Rozpoczyna się seria skomplikowanych konwulsji, prowadzących w końcu do powstania wiatru, który rozdyma zewnętrzne powłoki gwiazdy, wytwarzając pięknie żarzącą się mgławicę planetarną, taką jak Czerwony Pająk. To, co było jądrem gwiazdy, staje się białym karłem, niewiarygodnie gorącym, powoli stygnącym, gęstym niedopałkiem – wszystkim, co pozostało z głównego silnika gwiazdy.

W przypadku gwiazd cięższych od Słońca gra nie jest skończona. Gdy cały hel zostanie przemieniony w węgiel, jądro rozgrzewa się jeszcze bardziej aż do niewyobrażalnych 600 000 000°C, jądra węgla zaczynają się łączyć, tworząc tlen, neon, magnez i sód. W przypadku najcięższych gwiazd, których masa wynosi od ośmiu do dziesięciu mas Słońca, spokojny okres będzie jeszcze trwał. Gdy temperatura jądra gwiazdy wzrasta powyżej 1 500 000 000°C, jądra tlenu łączą się, tworząc krzem, siarkę i fosfor. A następnie w temperaturze około 3 000 000 000°C jądra krzemu łączą się, tworząc żelazo.

W tym momencie życie gwiazdy dobiega niemal końca, ponieważ żelazo jest najbardziej stabilnym pierwiastkiem we Wszechświecie i nie przechodzi dalszej syntezy. Gdy wszystkie reakcje jądrowe się kończą, składające się teraz w znacznej mierze z żelaza jądro zapada się jeszcze bardziej, ścieśniając się, dopóki nie osiągnie temperatury około 5 000 000 000°C. Tak: pięciu miliardów stopni Celsjusza. Jądro zapada się wówczas, tworząc kulę złożoną niemal wyłącznie z neutronów o średnicy około 25 kilometrów. Zewnętrzne warstwy gwiazdy zapadają się na tę nowo powstałą gwiazdę neutronową i odbijają się, powodując ogromną eksplozję supernowej, która zdziera zewnętrzne warstwy gwiazdy i wyrzuca je w przestrzeń kosmiczną z ogromną prędkością.

Temperatura milionów i miliardów stopni osiągana w jądrach gwiazd jest zupełnie zdumiewająca. Takie jednak są intensywne warunki niezbędne, by w całym Wszechświecie niezliczone biliony gwiazd wytwarzały światło. Promieniowanie i ciepło płynące ze Słońca, które mają zasadnicze znaczenie dla życia na Ziemi, powstają dzięki ekstremalnym temperaturom, znacznie przekraczającym naszą zdolność pojmowania.

Temperatury poza skalą

Centra gwiazd są gorące, ale – jak jednak możecie się spodziewać – nie dorównują temperaturom panującym w najwcześniejszych chwilach istnienia Wszechświata. Obecnie upłynęło 13,7 miliarda lat od czasu, gdy Wszechświat powstał w Wielkim Wybuchu, i jak się za chwilę przekonamy, wszystko ostygło obecnie tak, że

pusta przestrzeń, która wypełnia większość Wszechświata, jest ekstremalnie zimna.

Jeśli jednak cofniemy zegar, kosmos stanie się naprawdę bardzo ciepły. Jeśli cofniemy się do najwcześniejszych chwil istnienia Wszechświata, jak bardzo wzrośnie temperatura?

Zaczniemy od sytuacji zaledwie jedną sekundę po początku Wszechświata. Nie możemy poczynić żadnych pomiarów ani obserwacji dotyczących tej ery, możemy jednak cofnąć się od tego, co widzimy obecnie, do warunków w tamtym momencie, przeprowadzając pewne obliczenia.

Kiedy Wszechświat miał jedną sekundę, temperatura w każdym jego miejscu wynosiła około 10 000 000 000°C, dwa razy więcej niż w jądrach najcięższych gwiazd w ostatniej chwili ich życia. W takiej temperaturze atomy nie mogły jeszcze istnieć: tworzące je elementy – protony, neutrony i elektrony – latały swobodnie we wszystkich kierunkach, zderzając się czasami, miały jednak zbyt dużą energię, żeby się ze sobą połączyć. Cofnijmy się jeszcze o krok, do jednej milionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu. Temperatura Wszechświata wynosi teraz 10 000 000 000 000°C!

Wszechświat wypełniony był małymi cząstkami nazywanymi kwarkami, które zaczynały się ze sobą łączyć, tworząc protony i neutrony. Kwarki, którym ich dziwną nazwę nadano w latach sześćdziesiątych XX wieku pod wpływem inspiracji książką Finneganów tren Jamesa Joyce’a, są podstawowymi elementami składowymi materii. Istnieją różne rodzaje kwarków, które łącząc się na różne sposoby w grupy po trzy, stworzyły cząstki takie jak protony i neutrony. [Kwarki mają urocze nazwy; są to – kwark górny, dolny, dziwny, powabny, piękny i prawdziwy – red.].

Czy nasze rozumienie początków pozwala nam cofnąć się jeszcze bardziej, do czasów wcześniejszych niż jedna milionowa sekundy po Wielkim Wybuchu? To niewiarygodne, ale tak. Zaledwie jedną dziesięciomilionową sekundy (0,00000000001 s) po Wielkim Wybuchu temperatura wynosiła około 10 000 000 000 000 000°C.

Wszechświat jest teraz zupą cząstek elementarnych, takich jak kwarki, leptony (rodzina cząstek subatomowych, która obejmuje elektrony) i gluony (cząsteczki, które „sklejają” ze sobą kwarki). Spośród tych cząstek 50% to normalna materia, która w niższych temperaturach służy jako składniki naszych ciał i świata wokół nas. Pozostałe 50% stanowi natomiast antymateria – podobne cząstki, ale o przeciwnych ładunkach elektrycznych.

Antymateria może istnieć na Ziemi tylko w bardzo szczególnych warunkach, ponieważ gdy cząstka materii i jej bliźniacza cząstka antymaterii wejdą w kontakt, anihilują się w rozbłysku energii. W ekstremalnych warunkach bardzo wczesnego Wszechświata materia i antymateria były z kolei zbyt gorące, żeby ze sobą oddziaływać, i istniały w niemal równych proporcjach.

Prawdopodobnie najwcześniejszy okres, o którym możemy sensownie mówić, to 0,0000000000000000000000000000000000000000001 sekundy po Wielkim Wybuchu, kiedy temperatura, według obliczeń naukowców, mogła wynosić 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000°C!

We wcześniejszych stadiach samo pojęcie czasu staje się trudne do zdefiniowania i wkraczamy w erę, która wykracza poza możliwości rozumienia współczesnej fizyki. Co więcej, zaczyna być trudne do stwierdzenia, co w ogóle rozumiemy przez temperaturę.

Dlaczego? Cóż – ponieważ temperatura obiektu odpowiada temu, jak szybko poszczególne cząstki poruszają się i wibrują. Jednak w najwcześniejszych stadiach istnienia Wszechświata nie jest jasne, czy cząsteczki, tak jak je rozumiemy, w ogóle mogły istnieć. Ekstrema temperatury Wszechświata nie tylko wykraczają poza to, co możemy pojąć, ale prawdopodobnie również poza to, co w ogóle może zostać sensownie zmierzone.

Mgławica Rozeta (NGC 2237) w konstelacji Jednorożca. Leży 5200 lat świetlnych od Ziemi, rozciąga się na obszarze aż 100 lat świetlnych. Między gwiazdami w centrum znajduje się supergorąca plazma o temperaturze do 10 milionów stopni Celsjusza.

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, 22:04
Przeważnie pochmurno
13°C
Odczuwalna: 11°C
Ciśnienie: 1020 mb
Wilgotność: 81%
Wiatr: 3 m/s E
Prognoza: 2017-10-19
dzień
Przelotne zachmurzenie
18°C
noc
Przelotne chmury
9°C
 

Teleskop Hubble'a