Powstawanie gwiazd supernowych i naszego słonca

Gwiazdy

Gwiazdy powstały we wszystkich protogalaktykach, a gdy Wszechświat osiągnął wiek około miliarda lat, protogalaktyki obłoków gazowych stały się galaktykami gwiazd. Jedną z nich była nasza Galaktyka. Tworzące się galaktyki składały się wyłącznie z wodoru i helu (głównie z wodoru). Również nowo powstałe gwiazdy były zbudowane z czystego wodoru i helu – były to gwiazdy pierwszej generacji. Załóżmy, że wszystkie obłoki gazowe uległy jednocześnie kondensacji, przekształcając się w gazy pierwszej generacji. W tym przypadku cały ten proces zakończyłby się raz na zawsze lub mówiąc inaczej, utraciłby cały swój ciąg dalszy. Gwiazdy pierwszej generacji są względnie małe i spokojne, mogą więc z łatwością utrzymać się w ciągu głównym przez czternaście miliardów lat, a zatem istnieją po dziś dzień. Co więcej zapadają się w miarę spokojnie przechodząc w białe karły. W niektórych galaktykach, nie wyłączając naszej, obłoki gazowe musiały jednak – z nieznanego nam powodu – mieć niejednakową wielkość. Większe obłoki szybciej niż inne ulegały kondensacji, gdyż większe rozmiary oznaczały większe natężenie pola grawitacyjnego. Z tych większych obłoków utworzyły się większe gwiazdy, których żywot był krótkotrwały i które niebawem wybuchały jako supernowe. Operując astronomiczną skalą czasu można stwierdzić, że supernowe pojawiły się niemal natychmiast, rozsiewając materię w przestrzeń kosmiczną, gdzie wciąż znajdowały się obłoki gazowe, które nie zdążyły jeszcze przemienić się w gwiazdy. Materia pochodząca z supernowych mieszała się z obłokami gazu i podgrzewała je. Im bardziej wzrastała temperatura, tym szybsze stawały się bezładne ruchy składających się na nie atomów, co zwiększało ich tendencję do ucieczki poza obręb obłoków, a w konsekwencji do rozpraszania się. Tak więc stygnący obłok, który pod wpływem własnego pola grawitacyjnego zaczynał się właśnie kurczyć, ogrzewał się teraz i ponownie rozszerzał. Natężenie jego pola grawitacyjnego malało, zaś chwila, w której mógłby rozpocząć się proces kondensacji, odsuwała się w daleką przyszłość, niekiedy w nieskończoność.

Supernowe

Najwcześniejsze supernowe spełniły zatem dwa zadania. Po pierwsze, podtrzymały istnienie obłoków, uniemożliwiając ich kondensację, dzięki czemu do dziś w wielu galaktykach wciąż jeszcze występuje duża ich obfitość. Po drugie zaś, dzięki nim obłoki te zostały napełnione jądrami cięższymi od helowych. Owe jądra mogą łączyć się ze sobą oraz z wodorem, tworząc cząsteczki pyłu, wobec czego obłoki stały się mieszaniną gazu i pyłu. Tak więc, w niektórych spośród istniejących obecnie galaktyk, międzygwiezdne obłoki gazowe stanowią nie więcej niż 2% masy galaktyki; w innych w stosunku do których supernowe spełniły swoją rolę, obłoki gazu i pyłu mogą stanowić nawet 25% całkowitej masy. W galaktykach bogatych w obłoki, nie są one rozłożone równomiernie. Galaktyki te mają zazwyczaj kształt spiralny, przy czym chmury gazu i pyłu koncentrują się w ramionach spiralnych. Według obliczeń blisko połowa masy tych spiralnych ramion przypada na międzygwiezdne obłoki składające się z gazu i pyłu. Peryferie zamieszkiwanej przez nas Galaktyki są zapylone do tego stopnia, że bardzo trudno je obserwować. W płaszczyźnie Drogi Mlecznej, gdzie występują największe skupiska obłoków, nie widzimy nic, z wyjątkiem najbliższych gwiazd. Całą resztę przesłaniają obłoki. Dlatego nie udaje się nam dojrzeć nawet środka galaktyki, nie mówiąc już o obszarach leżących po drugiej jego stronie. Wszelkie informacje o tych regionach zawdzięczamy wyłącznie radioteleskopom, dla których obłoki nie stanowią żadnej przeszkody, oraz faktowi, że centrum Galaktyki jest bardzo aktywnym obszarem wysyłającym liczne fale radiowe. Istniejące obecnie w naszej galaktyce obłoki międzygwiezdne w ciągu czternastu miliardów lat swego istnienia poddane były działaniu milionom eksplozji supernowych i dzięki temu zostały w znacznym stopniu przemieszane i wzbogacone. Około 1% atomów, z których są zbudowane (albo 3% ich masy), stanowią atomy cięższe od helu. Znalazły się tam tylko dlatego, że pojawiły się jako część ciężkiego, atomowego detrytusu (detrytus – osady na dnie zbiorników wodnych składające się z silnie rozdrobnionych skał i szczątków obumarłych organizmów wodnych i zwierzęcych), wyrzuconego w przestrzeń międzygwiezdną przez straszliwą siłę wybuch supernowej. Co jakiś czas w którejś z galaktyk jeden ze wzbogaconych w ten sposób obłoków zaczyna kurczyć się i tworzyć nową gwiazdę lub gwiazdy, a czasem całą ich gromadę. Gwiazdy powstające z obłoków międzygwiezdnych zawierających wyraźną domieszkę ciężkich atomów to gwiazdy drugiej generacji, co oznacza, że niewielka, lecz dająca się zmierzyć część materii, z której są zbudowane, powstała w jądrach wcześniejszych gwiazd, dziś już nie istniejących, a przynajmniej nie należących do ciągu głównego.

Słońce

Słońce jest gwiazdą drugiej generacji, gdyż powstało 4.6 miliarda lat temu, w czasie gdy galaktyka liczyła sobie dziesięć miliardów lat. Powstało z obłoku, w którym przez wszystkie te miliardy lat zbierały się „szczątki” wybuchających supernowych; dlatego też zawiera znaczne ilości ciężkich atomów, choć i tak w przeważającej części składa się ono z wodoru i helu. Skoro powstanie gwiazdy takiej jak Słońce miało miejsce dziesięć miliardów lat po Wielkim Wybuchu, inne gwiazdy musiały utworzyć się jeszcze później. (Nie ma na to żadnych wątpliwości, ponieważ pewne spośród istniejących obecnie gwiazd, które należą do ciągu głównego, mają tak wielką masę, że mogą pozostać na nim jeszcze zaledwie kilka milionów lat. Wynika stąd, że musiały powstać nie wcześniej niż kilka milionów lat temu.) Można przyjąć zatem, że także i obecnie powstają nowe gwiazdy, nawet w naszej galaktyce i nawet w bliskim sąsiedztwie Ziemi, wobec czego powinno być możliwe uzyskanie dowodów na to, że tak jest w istocie. Na przykład w mgławicy Oriona obłok gazu i pyłu, o masie trzysta razy większej niż Słońca, na pewno zawiera w sobie gwiazdy, w przeciwnym bowiem razie nie mógłby świecić. Gwiazdy zakryte są przez otaczający je gaz i pył. Podobnie matowe szkło żarówki lśni dzięki światłu znajdującego się wewnątrz rozżarzonego drutu, skrywając jednocześnie sam drut tak, że nie można go wyraźnie zobaczyć. Istnieją jednak podstawy, by przypuszczać, że gwiazdy te mają bardzo dużą masę, a zatem muszą być zupełnie młode. Bez wątpienia powstały z obłoku, a obecnie z pewnością tworzą się tam inne gwiazdy. Gdy rodzi się gwiazda, całe fragmenty obłoku ulegają kondensacji i w trakcie tego procesu stają się gęstsze i mniej przezroczyste. Światło gwiazd znajdujących się wewnątrz mgławicy, które przenika i rozświetla inne partie obłoku, napotyka na przeszkodę w postaci kondensujących się fragmentów.

Stąd wniosek, że w mgławicy Oriona powinniśmy obserwować małe, ciemne partie o kształcie zbliżonym do kolistego, lecz leżące między Ziemią i gwiazdami znajdującymi się wewnątrz tej mgławicy. Takie właśnie ciemne, zaokrąglone kształty dostrzegł w mgławicy Oriona w roku 1947 astronom amerykański holenderskiego pochodzenia Bart Jan Bok (1906-1983). Są one zwane globulami i – być może (choć na pewno) – należy je uważać za tworzące się gwiazdy. Co powoduje rozpoczęcie się procesu kondensacji obłoków międzygwiezdnych, w których przez miliardy lat nie zachodziły żadne zmiany. Być może, przypadkowe przemieszczenia atomów i drobin pyłu tworzą ośrodki o większej gęstości, utrwalone później przez wzrastające natężenie pola grawitacyjnego, i w ten sposób właśnie zostaje zainicjowany cały proces. Trudno jednak uznać tą sytuację za bardzo prawdopodobną, bo inaczej wszystko to odbyłoby się już przed miliardami lat. Bezładne ruchy atomów mogą równie dobrze prowadzić do stopniowego rozproszenia obłoku w niemal doskonałej próżni przestrzeni międzygwiezdnej. Jest ona przecież wypełniona niesłychanie rozrzedzonym gazem i drobnym pyłem. Mogą być one materią, która nie została nigdy wchłonięta przez tworzące się gwiazdy lub obłoki międzygwiezdne, lecz – przynajmniej w części – pochodzą z rozpraszających się obłoków. Istnienie takiej międzygwiezdnej materii wykazano po raz pierwszy w roku 1904. Dokonał tego astronom niemiecki Johannes Franz Hartmann (1865-1936). Badając widmo pewnej gwiazdy, odkrył on, że wprawdzie jej linie widmowe , zgodnie z oczekiwaniami, były przesunięte, gdyż gwiazda ta oddalała się od nas, lecz pewne linie odpowiadające wapniowi nie uległy przesunięciu.

A zatem wapń nie mógł wchodzić w skład gwiazdy. Ponieważ między nami a gwiazdą nie było nic prócz „pustej” przestrzeni, wapń musiał znajdować się właśnie w tej pustej przestrzeni a zatem ta pusta przestrzeń z kolei nie mogła być zupełnie pusta. Atomy wapnia musiały być wprawdzie ogromnie rozproszone, gdy jednak światło gwiazdy, wędrujące do nas w przestrzeni kosmicznej, przemierzało ogromne, mierzone w latach świetlnych odległości, od czasu do czasu napotykało atom wapnia, który pochłaniał jeden foton. Podczas całej tej podróży oddało ich dostatecznie wiele, by w widmie tego światła pojawiły się wyraźne ciemne prążki. W roku 1930, pochodzący ze Szwajcarii astronom amerykański, Robert Julius Trumpler (1866-1956), wykazał, iż w przestrzeni kosmicznej znajduje się tyle pyłu, że choć jest on niewyobrażalnie drobny, może skutecznie przesłonić odległe obiekty. Można więc przyjąć, że międzygwiezdne obłoki gazowe, które po upływie miliardów lat wciąż jeszcze istnieją i zachowują swoją „tożsamość”, znajdują się w stanie bardzo delikatnej równowagi. Ani nie są dostatecznie gęste lub wystarczająco chłodne, by wkroczyć w fazę kondensacji, ani też tak rozrzedzone lub gorące, by się rozproszyć w olbrzymim zbiorowisku gazu międzygwiezdnego. Aby z takiego obłoku mogła utworzyć się gwiazda, musi nastąpić coś, co choćby w niewielkim stopniu i choćby tylko na krótki czas naruszy ten stan równowagi. Astronomowie dostrzegają wiele ewentualnych czynników sprawczych. Na przykład w mgławicy Oriona istnieją duże, gorące młode gwiazdy, które emitują wiatr gwiezdny o takim natężeniu, iż w porównaniu z nim wiatr słoneczny musi wydawać się delikatnym zefirkiem.

Gdy wiatry te „owiewają” otaczającą mgławicę, popychają przed sobą gaz i pył, które osiągają wobec tego gęstość większą, niż byłoby to możliwe w normalnych warunkach. W ten sposób rośnie natężenie pola grawitacyjnego w tej części obłoku, rozpoczyna się proces kondensacji, który powoduje dalsze skupianie gazu i pyłu, powstaje globuła, a następnie gwiazda. W jaki sposób utworzyły się młode, gorące gwiazdy? Jak w szczególności powstała pierwsza gwiazda z mgławicy zanim pojawiły się potężne wiatry gwiezdne, zdolne zapoczątkować proces kondensacji. Możliwości jest wiele. Może dojść do sytuacji gdy dwa obłoki spotkają się i zaczną napierać na siebie, co zapoczątkuje zagęszczenie materii ich zawartej, lub też połączą się, a obszar, w którym nałożą się na siebie, będzie charakteryzował się większą gęstością. Wytwarzane przezeń pole grawitacyjne wzrośnie, prowadząc do kondensacji. Może się zdarzyć, że obłok międzygwiezdny dostanie się w rejon położony niezwykle daleko od całego Wszechświata, skutkiem czego jego temperatura nieco opadnie, atomy i cząstki, z których się składa zmniejszą wtedy swoją prędkość, zbliżą się do siebie, doprowadzi to do zagęszczenia materii, co spowoduje wzrost grawitacji i rozpoczęcie procesu kondensacji. Widzieliśmy już, w jaki sposób, na skutek zwykłego ściskania dość rozrzedzonego początkowo obłoku międzygwiezdnego, może powstać gwiazda lub cała gromada gwiazd. Jak jednak dochodzi do tego, że pojedyncza gwiazda otacza się planetami – ciałami stanowczo zbyt małymi, by mogły stać się gwiazdami? Teorie tłumaczące to zjawisko można podzielić na dwie grupy: katastroficzne i ewolucyjne.

Teoria katastroficzna powstania gwiazd

Według teorii katastroficznych gwiazdy powstają albo pojedynczo, albo z gwiazdą towarzyszącą, lecz pozbawione są układu planetarnego. Prawie wszystkie gwiazdy przeżywają następnie określony czas jako gwiazdy ciągu głównego, następnie rozrastają się, przechodząc w stadium czerwonego olbrzyma, a wreście gasną, przy tym do końca są pozbawione planet. Jednak czasami może wydarzyć się coś niezwykłego. Do gwiazdy może zbliżyć się inna gwiazda i przejść w jej pobliżu. Ogromna siła przyciągania grawitacyjnego, jaka działa między nimi, może oderwać od każdej z nich część materii, która dałaby początek układowi planetarnemu. Mogą nawet powstać dwa układy – wokół każdej z gwiazd. Może też zdarzyć się, że gwiazda będąca składnikiem układu podwójnego eksploduje jako supernowa, pozostawiając po sobie jedynie drobne okruchy materii, te zaś mogą zostać przechwycone przez towarzyszącą gwiazdę, stając się jej planetami. W obu wypadkach, (jak i też w wypadku innych możliwych do wyobrażenia katastrof) planety są młodsze, od gwiazd, wokół których krążą. Katastrofy takie mogą zdarzać się bardzo rzadko, gdyby więc katastroficzne teorie powstania planet były prawdziwe, planety stanowiłyby doprawdy niecodzienne zjawisko. Układ Słoneczny musiałby być jednym z nielicznych w całej Galaktyce tworów tego typu. Z kolei według teorii ewolucyjnych te same procesy prowadzą do powstania zarówno gwiazd, jak i planet. Planety powinny być zatem rówieśnikami okrążanej prze siebie gwiazdy. A zatem wszyscy członkowie naszego Układu Słonecznego, od zajmującego centralną pozycję Słońca po najmniejszą kometę, powinni być w tym samym wieku. Według tych teorii większość gwiazd powinna posiadać układy planetarne.

Czy te teorie, grupy są prawdziwe? Jest to trudne pytanie. Na podstawie naszej obecnej wiedzy nie potrafimy odpowiedzieć na nie w jednoznaczny sposób. Nie mieliśmy dotąd możliwości badania procesu powstawania gwiazdy z odległości dostatecznie małej, by udało się stwierdzić czy wraz z nią tworzą się również planety, a jeśli tak, to jak się to odbywa. Jak dotąd nie potrafimy nawet rozstrzygnąć jednoznacznie, czy układy planetarne występują bardzo często (co oznaczałoby, że słuszność leży po stronie koncepcji ewolucyjnej), czy też bardzo rzadko (co oznaczałoby, że słuszność jest po stronie koncepcji katastroficznej). Zajmijmy się koncepcją ewolucyjną, które najwcześniejsze wersje przedstawił w drugiej połowie wieku osiemnastego Kant i Laplace, twórcy tak zwanej hipotezy mgławicowej. Hipoteza ta korzystała z pewnego pojęcia fizycznego zwanego „momentem pędu”. Jest ono związane z ruchem obrotowym, a obłok międzygwiezdny, z którego powstało Słońce, obracał się początkowo dość wolno. Moment pędu zależy zarówno od prędkości obrotowej, jak i od przeciętnej odległości wszystkich punktów obiektu od osi obrotu. Zgodnie ze znanym prawem fizycznym w układzie izolowanym (czyli takim, który nie podlega działaniu żadnych sił zewnętrznym), całkowity moment pędu musi być stały. W miarę gęstnienia obłoku międzygwiezdnego przeciętna odległość wszystkich jego fragmentów od osi obrotu systematycznie malała. Aby moment obrotowy nie zmieniał się, prędkość obrotowa musiała wzrastać. W miarę jak rosła prędkość obrotowa gęstniejącego obłoku, siła odśrodkowa coraz bardziej go spłaszczała. Jego kształt nie był już mniej więcej kulisty, lecz coraz bardziej przypominał dysk. Wreście w wyniku tego spłaszczenia, w obszarze równikowym obłoku pojawiło się wybrzuszenie, które ostatecznie oddzieliło się w postaci pierścienia. Pierścień ten zagęścił się tworząc planeta, tymczasem obłok nadal kurczył się i wirował coraz szybciej; wreście oddzielił się od niego kolejny pierścień. Pierścienie gęstniejąc również obracały się coraz szybciej, „odrzucając” od siebie mniejsze pierścienie, które stały się satelitami planet. Hipoteza mgławicowa brzmiała sensownie i cieszyła się popularnością w ciągu całego niemal dziewiętnastego stulecia. Trudno było jednak zrozumieć, czemu pierścień, zamiast uformować pas asteroidów czy nawet zupełnie rozproszyć się w przestrzeni, miałby utworzyć planetę.

Co gorsza na planety Układu Słonecznego przypada 98% całkowitego momentu pędu, na Słońce zaś zaledwie 2%. Astronomowie nie byli w stanie wyjaśnić, w jaki sposób cały niemal moment pędu miałby się skoncentrować w małych pierścieniach materii oddzielającej się od gęstniejącego obłoku. W rezultacie hipotezę mgławicową w zasadzie odrzucono i przez kolejne pięćdziesiąt lat rosła liczba zwolenników teorii katastroficznej. [2] W roku 1944 astronom niemiecki Carl Friedrich von Weizs”cker wprowadził jednak pewną poprawkę do hipotezy mgławicowej.

W jego wersji obłok obracający się gładko i stanowiący pojedyncze ciało zastąpiony został obłokiem, który, obracając się nieregularnie, tworzył szereg wirów. Gdy obłok zagęszczał się i kształtem coraz bardziej przypominał dysk, wiry, których odległość od środka obłoku rosła, powiększały się jednocześnie coraz bardziej. Tam, gdzie doszło do spotkania dwu sąsiadujących ze sobą wirów, materia jednego zderzała się z materią drugiego i poszczególne fragmenty zlewały się ze sobą, tworząc coraz większe struktury, aż wreście uformowały się planety, przy czym każda z nich zajmowała miejsce położone dwukrotnie dalej od Słońca niż miejsce jej „poprzedniczki”. Teoria Weizs”kera dobrze tłumaczyła powstanie planet, omijając trudności towarzyszące próbom wyjaśnienia, w jaki sposób pierścienie gazowe zmieniały się w planety. Pozostało natomiast nie wyjaśnione dziwne rozłożenie momentu pędu w Układzie Słonecznym. Teorię Weizs”kera rychło udoskonalono uwzględniając pole magnetyczne Słońca i zmiany, jakimi podlegało ono w okresie gęstnienia. Możliwe stało się wówczas wyjaśnienie mechanizmu, który sprawił, że ogromne, centralnie położone Słońce mogło przekazywać swój moment pędu małym planetom znajdującym się na obrzeżu Układu Słonecznego. Od tej pory astronomowie są przekonani, że udało się im poznać zasadnicze szczegóły procesu powstawania układów planetarnych. Dlaczego jednak poszczególne planety tak bardzo różnią się wielkością i innymi parametrami? Gdyby Słońce było gwiazdą pierwszej generacji, składającą się wyłącznie z wodoru i helu, planety byłyby znacznie bardziej podobne do siebie.

Cały obłok składałby się także z wodoru i helu, a to oznaczałoby, że pod względem budowy planety przypominałyby Słońce. Hel i wodór (pierwszy w postaci pojedynczych atomów, drugi w postaci dwuatomowych cząsteczek) nie tworzą dalszych połączeń i pozostają gazami nawet w bardzo niskich temperaturach. Jedynym wiążącym je czynnikiem byłaby siła grawitacji. Wyobraźmy sobie gęstniejący obłok wodorowo – helowy. Znajduje się on pod wpływem dwóch przeciwstawnych czynników: pole grawitacyjne skupia cząsteczki obłoku, natomiast poszczególne atomy i drobiny, poruszające się po przypadkowych torach, usiłują umknąć z obłoku na zewnątrz. Im większa jest masa gęstniejącej materii i im bardziej zaawansowane jest sam proces gęstnienia, tym większe natężenie pola grawitacyjnego i tym mocniej skupiane są cząsteczki. Im bardziej ochładza się materia, tym wolniejsze są chaotyczne ruchy poszczególnych atomów i cząstek, słabnie zatem ich tendencja do rozpraszania się i w ten sposób proces skupiania się materii ulega przyśpieszeniu.