czwartek, 9 lipca 2015

McGoris #4 - Gwiazdy - Typy gwiazd, gwiazdy zmienne, układy wielokrotne.

Na niebie widzimy tysiące gwiazd. Przez teleskop jeszcze więcej. Odległości między nimi są ogromne. Jedne są jaśniejsze, jedne białe, jedne żółte, jedne pomarańczowe. Czym się różni każda z nich?




1. Czym jest gwiazda?

Można ją zdefiniować, że jest to ciało niebieskie, które jest skupiskiem powiązanej grawitacyjnie materii w postaci plazmy, czyli w stanie skupienia przypominającym gaz, gdzie cząstki są naładowane elektrycznie. 
 W gwieździe zachodzi proces syntezy jądrowej, gdzie jądra atomów łączą się, tworząc jedno, cięższe jądro. W przypadku większości gwiazd na początku ich istnienia jest to synteza wodoru w hel. Podczas tego procesu powstaje energia, dzięki której gwiazda świeci i emituje promieniowanie elektromagnetyczne np. widmo gwiazdy.
Gwiazdy to obiekty tak odległe, że widzimy je jako punkty światła mimo, że sięgają średnice rzędu milionów kilometrów.

Chmura gwiazd w Strzelcu




2. Ewolucja gwiazd


Gwiazda powstaje w mgławicy - w obłoku międzygwiazdowym składającym, się głównie z gazu i pyłu. Przestrzeń międzygwiazdowa składa się głównie z atomów wodoru. Pył i gaz zaczynają się łączyć grawitacyjnie, gdzie powstają tzw. obłoki molekularne. 

Obłoki molekularne są to obszary, gdzie gęstość wodoru jest na tyle duża, a temperatura na tyle niska, by powstawały wiązania wodoru, czyli H2.

 Masa typowego obłoku molekularnego wynosi od 100 000 do 10 000 000 mas Słońca, a rozmiary obłoku są rzędu od 50 do 300 lat świetlnych. Stopniowo obłok ten zaczyna się zapadać pod wpływem grawitacji, zapadaniu przeciwdziała ciśnienie obłoku, wywołane temperaturą gazu.

Zapadający się obłok fragmentuje się na mniejsze obłoki i powstają tzw. protogwiazdy, gdzie dookoła skupionej materii krąży ciemny pył i gaz. Są to tzw. globule Boka.

Globule Boka w mgławicy IC 2944
Protogwiazda uwięziona w globuli Boka (wyobrażenie artysty)

Po jakimś czasie, gdy masa jest odpowiednio dużo, zaczyna się proces syntezy jądrowej. Masa niektórych protogwiazd nie jest odpowiednio duża, by dojść do procesu syntezy jądrowej, powstają tzw. brązowe karły, które szybko umierają wychładzając się. Czyli krótko mówiąc - niewypały :).

Gwiazda, podczas syntezy jądrowej przez długi czas zaczyna nabierać energii i stopniowo się ociepla.W Gwiazdach stałych, takich jak np. Słońce, łączą się atomy wodoru w hel. Ale kiedyś "paliwa" zabraknie. Gwiazda wypala cały wodór.

Po wypaleniu całego wodoru ze środka, zaczynają się łączyć zaś atomy helu.  Powstają atomy węgla, tlenu i innych pierwiastków. Gwiazda zaczyna puchnąć, przechodzi w stadium czerwonego olbrzyma. Powstają wtedy cięższe pierwiastki, aż dojdzie do żelaza. 

Gdy powstanie żelazo, reakcje termojądrowe ustają. Gwiazda nie może utrzymać swojej masy i zaczyna się szybko zapadać. Dochodzi do ogromnego ciśnienia jakie panuje w jądrze. Gwiazda wybucha i dochodzi do śmierci gwiazdy:



Obiekty średnio masywne (od 0,4 do ok. 4 mas Słońca), takie jak Słońce, gwiazda zamienia się w białego karła o ogromnej gęstości i tempetarurze oraz niewielkiej średnicy. Materia z gwiazdy zostaje wyrzucona i powstaje tzw. mgławica planetarna. Z czasem biały karzeł traci swoją moc i zamienia się w tzw. czarnego karła i gaśnie... na zawsze.


Mgławica planetarna "Pierścień" M57 w gwiazdozbiorze Lutni. W centrum widać białego karła.


Mgławica planetarna Eskimos - NGC 2392


Obiekty dużo masywne (od 8-10 mas słońca) wybuchają bardzo mocno, tzw. supernowe. Gdy reakcje termojądrowe ustają, gwiazda nie może utrzymać swojej masy i zapada się, tworząc ogromne ciśnienie. Dochodzi do wybuchu supernowej. Jest bardzo jasny i nie raz prześwietla całą galaktykę. Wtedy powstaje tzw. gwiazda neutronowa, a przy jeszcze masywniejszych nawet czarna dziura.

Gwiazdy neutronowe to bardzo dziwne twory. Materia takiej gwiazdy jest niesamowicie gęsta i posiadają malutką średnice od 15-20 km. Przy takiej średnicy takie gwiazdy mają masę od 1.4 do 2.5 mas Słońca.

A, zapomniałem - Masa Słońca wynosi ok. (1,9891 ± 0,0012)·1030 kg (1,9891 kwintyliona kilogramów(30 zer).

Łyżeczka takiej materii waży nawet kilka miliardów ton. Materia taka składa się głównie z żelaza i swobodnych elektronów, czyli takich, które nie są powiązane z żadnymi atomami lub bardzo słabo. Malejące odległości między jądrami i elektronami sprawiają, że powstaje tzw. neutronizacja i materia składa się głównie z neutronów.
Są różne typy gwiazd neutronowych. Najpopularniejsze z nich to:

Pulsar: Są to gwiazdy neutronowe, które w niewielkich odstępach czasu imitują sporo promieniowania elektromagnetycznego, najczęściej fale radiowe. Pulsary obracają się bardzo szybko, nawet do kilkuset razy na sekundę. Najpopularniejszym pulsarem jest pulsar w mgławicy Kraba (Messier 1) oddalony o ok. 5000 lat świetlnych. W 1054r. astronomowie zaobserwowali niesamowicie jasny obiekt na niebie. Była to supernowa. Dzisiaj widać pozostałość po tym wybuchu tzw. plerion.

Mgławica Kraba, można ją zaobserwować przez niewielki teleskop jako niewielką mgiełkę.

Pulsar w mgławicy Kraba. Zdjęcie wykonane w odpowiednim paśmie.

Magnetar - hipotetycznie jest uznawana za gwiazdę kwarkową, gwiazda posiada ogromne pole magnetyczne, które emituje w sposób regularny rozbłyski promieniowania gamma i rentgenowskiego. Rotują bardzo powoli z powodu pola magnetycznego. Jest teoria, że zaraz po wybuchu supernowej powstaje magnetar, który po czasie zamienia się w pulsar.

Widok magnetara (wizja artysty). Czerwone linie wskazują linie pola magnetycznego.






3. Typ widmowy gwiazd.

Gwiazdy kwalifikuje się także po typie widmowym, czyli barwie, jaką posiada gwiazda, a ona zależna jest od temperatury gwiazdy.
Ok 99% gwiazd ciągu głównego, czyli takich, w których zachodzi synteza wodoru w hel, można sklasyfikować na 7 podstawowych typów widmowych:

O - kolor błękitny, są to bardzo gorące gwiazdy, o temperaturze powyżej 30000 Kelwinów (jeśli chcemy zamienić na Celsjusze to musimy dodać 273, ale przy takich liczbach nie ma to znaczenia).

W takich gwiazdach raczej niska zawartość wodoru, a większa zawartość zjonizowanego helu. Takich gwiazd jest raczej bardzo mało, ok 0,00003% wszystkich widocznych gwiazd.
 Te gwiazdy są przeważnie dużo większe od słońca i dużo masywniejsze od Słońca.

B - kolor niebiesko-biały/ jasno błękitny - temperatura gwiazdy od 10000K do 30000K. Gwiazdy są trochę mniej masywne niż O, i posiadają trochę więcej wodoru.
Są to gwiazdy także większe od Słońca i stanowią 0,13% wszystkich gwiazd.

A - gwiazdy barwy białej. Takie gwiazdy posiadają najwięcej wodoru. Temperatura powierzchni waha się między 7500K - 10000K. Stanowią 0,6% wszystkich gwiazd. Gwiazdy typu A są bardzo jasne i widoczne na niebie. Przykładem takiej gwiazdy jest Syriusz, najjaśniejsza gwiazda na niebie, widoczna zimą. Gwiazdy typu A mogą posiadać układy planetarne. Znanymi przykładami są np. Fomalhaut najjaśniejsza gwiazda gwiazdozbioru Ryby Południowej, która prawdopodobnie posiada planety.

F - gwiazdy mają kolor biało-żółty, kremowy, mają niewielką zawartość wodoru, większa zawartość metali. Temperatura powierzchni gwiazdy - od 6000 K do 7500K. Do tego typu należy np. Gwiazda Polarna oraz Procjon - najjaśniejsza gwiazda gwiazdozbioru Małego Psa, widoczna niedaleko Oriona.

G - gwiazdy posiadają kolor żółty, żółtobiały. To jest najważniejszy typ widmowy, gdyż takiego typu jest nasza rodzima gwiazda, czyli Słońce. W tego typu gwiazdach można odnaleźć dość mocne linie zjonizowanego wapnia. Temperatura gwiazdy - od 5200K do 6000K.

K - gwiazdy o barwie żółtawej-pomarańczowej. Są chłodniejsze od naszego Słońca. Widma tych gwiazd charakteryzują się niewielką ilością wodoru, posiadają silne linie metali. Taki typ widmowy mogą mieć pomarańczowe karły, jak i olbrzymy. Przykładem gwiazdy tego typu jest na przykład Eta Cygni w konstelacji Łabędzia. Temperatura gwiazdy - od 5200K do 3700K.

M - gwiazdy o barwie pomarańczowo-czerwonej i o najniższej temperaturze. Od 2400K do 3700K. Są to czerwone karły, jak i czerwone olbrzymy, które opuściły ciąg główny. Dominują głównie linie metali, a w szczególności tlenku tytanu. Przykładem tego typu gwiazdy jest np. Betelgeza, wspomniana w pierwszym poście, która jest kandydatką na supernową.

Wszystkie typy widmowe gwiazd ciągu głównego i ich barwy.

Nazwa typu widmowego nie kończy się tylko na jednej literce. Np. typ widmowy naszego Słońca to G2V. Co to 2 i V oznacza?

2 oznacza tutaj klasyfikację gwiazdy pod względem linii występujących pierwiastków oraz różnice w temperaturach między typami widmowymi. Dzieli się na 10 podtypów oznaczonych od 0-9.

V jest to rzymskie 5 i oznacza tutaj rodzaj gwiazdy, wielkość. Jest 7 klas:

0(czasem: Ia-0) - hiperolbrzymy, najjaśniejsze i największe ze wszystkich. Klasa dodana dopiero później. Przykładem takiej gwiazdy jest Eta Carinae w gwiazdozbiorze Kila (niewidoczna z Polski).

I - nadolbrzymy - bardzo jasne i masywne gwiazdy na krańcu swojego życia. Dzielą się na typy Ia i Ib, przy czym Ia reprezentuje te najjaśniejsze. Takie gwiazdy są bardzo rzadkie. Przykładem takiej gwiazdy jest np. Betelgeza(M2Ib) czy Antares(M1Ib).

II - jasne olbrzymy - gwiazdy mające jasność pomiędzy olbrzymami a nadolbrzymami. Przykładem może tu być np. gwiazda Alphard, najjaśniejsza gwiazda gwiazdozbioru Hydry.

III - olbrzymy - są to głównie mniej masywne gwiazdy, przy krańcu ich życia. Przykładem takiej gwiazdy jest np. Arktur(K2III), najjaśniejsza gwiazda konstelacji Wolarza.

IV - podolbrzymy - gwiazdy, które dopiero zaczęły ewolucję do statusu olbrzymów lub nadolbrzymów. Przykładem może tu być np. Procjon (F5IV) .

V - karły - (gwiazdy ciągu głównego) – wszystkie normalne, spalające wodór gwiazdy. Gwiazdy spędzają większą część swojego życia w tej kategorii, zanim przesuną się o rząd wyżej. Przykładem jest np. nasze Słońce, Syriusz, czy Wega.

VI - podkarły (rzadko używane)

VII - białe karły (rzadko używane)


3. Gwiazdy zmienne.

Dlaczego się tak nazywają? Ponieważ stopniowo w jakimś odstępach czasu zmieniają swoją jasność. Większość gwiazd teoretycznie wykazuje drobne zmiany jasności, ale są one w większości przypadków praktycznie niezauważalne, nawet rzędu 0,1 magnitudo. Na przykład jasność Słońca zmienia się o ok. 0,1% w 11-letnim cyklu.

Gwiazdy zmienne klasyfikujemy na dwa kategorie:

3.1 Gwiazdy zmienne fizycznie - to gwiazdy pojedyncze lub wielokrotne, których jasność zmienia się na skutek zachodzących zmian np. w atmosferze czy innych procesów zachodzących w gwieździe.
Ze względu na ich charakter, dzielimy je na podkategorie:

*Gwiazdy pulsujące: struktura gwiazdy lub jej atmosfera ulega regularnym okresowym zmianom. Gwiazda może także puchnąć i kurczyć się za każdym razem, albo drgać nieregularnie.

Najpopularniejszym typem gwiazd pulsujących są cefeidy. Są to gwiazdy o typie widmowym F(opisane powyżej). Nazwa się wzięła od jednej zaobserwowanej gwiazdy zmiennej, Delta Cephei (δ Cephei), leżąca w konstelacji Cefeusza. Jasności gwiazd zmieniają się w okresie od 1 do 150 dni i są to gwiazdy bardzo jasne, dużo jaśniejsze od Słońca, które okresowo zmieniają swój rozmiar i temperaturę. Zmiany wahają się od 0.2 do nawet 2 magnitudo. W niektórych przypadkach może się okresowo zmienić nawet typ widmowy, np z F na A.

Do cefeid zaliczamy też gwiazdy zwane gwiazdami typu RR Lyrae. Podobnie jak Delta Cefeidy, okresowo zmieniają jasność oraz typ widmowy. Są to głównie bardzo stare gwiazdy, występujące w gromadach kulistych lub w halo galaktycznym. Nazwa wzięła się od gwiazdy odkrytej w konstelacji Lutni (łac. Lyra).

*Gwiazdy zmienne atmosferycznie: gwiazdy w których następują nieregularne zmiany w atmosferach. Ich jasności nie zmieniają się regularnie, tylko w losowych odstępach czasu. Psi Persei(ψ Persei).

*Gwiazdy wybuchowe: gwiazdy w których następuje jednorazowa,gwałtowna lub powtarzająca się dramatyczna zmiana struktury gwiazdy. Przykładem takiej gwiazdy jest EG Andromedae.

3.2 Gwiazdy zmienne geometrycznie to gwiazdy pojedyncze lub podwójne, których jasność zmienia się na skutek zmiany ustawienia gwiazdy względem obserwatora. Ze względu na charakter zmian gwiazdy te dzielimy na następujące grupy: 

*gwiazdy zaćmieniowe: są to gwiazdy podwójne, które jedna gwiazda przesłania drugą gwiazdę, względem obserwatora. Najpopularniejsza gwiazda zaćmieniowa jest Algol w gwiazdozbiorze Perseusza. 

Otrzymany obraz dwóch składników Algola za pomocą interferometrii. 

Na animacji widać jak gwiazda raz przesłania gwiazdę - jasność spada, i raz znajduje się za nią - jasność delikatnie spada. Na poniższej aplikacji jest to ładniej pokazane, gdyż tam jest też wykres jasności:

Przykładowa gwiazda zaćmieniowa i wykres jasności.
Okres orbitalny składników Algola wynosi 2,8 doby, czyli dość niedługo, gdyż mają spore prędkości orbitalne i są dość niedaleko siebie.

*gwiazdy świecące niesferycznie: zmiana jasności spowodowana jest rotacją gwiazdy. Gwiazdy te najczęściej są jajowate i szybko się obracają. Gdy nie jest idealnie równo oś do nas i ustawi się do nas szerszym bokiem, gwiazda jest jaśniejsza, a gdy cieńszym, mniej jasna. Zmiany jasności są raczej niewielkie.
 

*zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego: przyczyna zmiany jasności jest najczęściej bardzo masywny, przechodzący w linii widzenia obserwatora obiekt , który zakrzywia światło drugiego obiektu. Może to być np. czarna dziura, gwiazda neutronowa czy jakiś biały karzeł.

4. Układy wielokrotne.

 Obserwując gwiazdy, można stwierdzić, że układy wielokrotne są bardziej powszechne w kosmosie niż pojedyncze.
Na przykład nasze Słońce najprawdopodobniej nie posiada swojego drugiego towarzysza. Natomiast najbliższy nam układ gwiazd, Alfa Centauri (ok 4.3 lata świetlne od nas, czyli ok. 40 000 000 000 km), jest już układem potrójnym.
Układ Alfa Centauri tworzą trzy gwiazdy: dwie jasne gwiazdy ciągu głównego, Alfa Centauri A i Alfa Centauri B, tworzące ciasny układ podwójny oraz okrążający je po dalekiej orbicie czerwony karzeł o nazwie Proxima Centauri, oznaczany też jako Alfa Centauri C. Proxima jest składnikiem najbliższym nas i dzieli ją od nas zaledwie 4,22 lata świetlne.

Porównanie wielkości Słońca do gwiazd układu Alfa Centauri.


 Alfa Centauri jest najjaśniejszą gwiazdą konstelacji Centaura, niewidocznej z Polski. Jedynie można wiosną zobaczyć na południu Polski dwie, bardzo nisko na południowym horyzontem gwiazdy Theta i Iota Centauri.

W teleskopie można bez problemu rozbijać większość składników. Ciekawe gwiazdy podwójne są: Albireo (Łabędź), gdzie jedna jest żółta, druga niebieska, Kastor (bliźnięta), widać 2 jasne gwiazdy ciasno ułożone i wiele innych.

Istnieją także tzw. gwiazdy spektroskopowo podwójne. Są to gwiazdy, które nie da się rozdzielić optycznie za pomocą nawet dużych teleskopów. Istnienie wielu składników dowodzi jedynie efekt Dopplera, o którym w następnym poście.

5. Porównanie wielkości planet, gwiazd do Słońca.

Zacznijmy od naszej planety - Ziemi. Pierwsze porównanie będzie do 8 planety Układu Słonecznego, lodowego olbrzyma Neptuna.

Porównanie rozmiarów Ziemi i Neptuna źródło: pl.wikipedia.org

Prawda, że robi wrażenie? Uwierzcie, to jest nic w porównaniu do gwiazd. Załącze jeden filmik na youtube, który pokazuje wielkość od najmniejszych asteroid, aż do supergromad galaktyk.



No i o gwiazdach to by było na tyle. Chciałem opisać jak najbardziej łopatologicznie, ale nie jest to takie proste. Niektóre nazwy robią lekką sieczkę w głowie, więc dałem terminy jak najbardziej podstawowe. Piszcie komentarze, zadawajcie pytania, czy nawet zgłoście jakiś błąd a ja spróbuje na nie odpowiedzieć.



Prosiłbym o wyłączenie Adblocka, bądź dodanie bloga do wyjątków. 


ZOBACZ TEŻ:

Czerwony Syriusz - Prawda czy mit? 
Astrofotografia - Jak robione są zdjęcia? 

6 komentarzy:

  1. Ciekawe, fajne opisy długo siedzisz w astro?

    OdpowiedzUsuń
  2. Dlaczego wodór przechodzi akurat w hel? Patrzylem na wiki, ale nie jestem chemikiem i tego nie rozumiem, mozna to jakos lopatologicznie?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. To nie chemia, ale bardziej fizyka. Zachodzi tutaj reakcja jądrowa, a nie chemiczna.
      Wodór posiada jeden proton, natomiast hel dwa. Po fuzji (połączeniu) dwóch atomów wodoru (właściwie to jego izotopów) powstaje atom o dwóch protonach, czyli hel.

      Usuń
    2. Dziekuje za odpowiedz.Troche nie doprecyzowalem pytania. A co sie dzieje dalej? Gdzies czytalem, ze z helu potem tworzy sie wegiel, azot i tlen. Pierwsze pytanie czy to prawda, a drugie pytanie czemu nie lzejsze pierwiastki: lit, beryl czy bor?

      Usuń
  3. Tak. Gdy skończy się gwieździe "paliwo" czyli wodór, potem łączą się atomy helu tworząc coraz cięższe pierwiastki - metale(i tu ważne: w astronomii jest inne pojęcie metali niż w chemii. W astronomii każdy pierwiastek cięższy od helu jest metalem!) - od węgla, tlenu aż do żelaza(przy czym gwiazda puchnie przekształcając się w czerwonego olbrzyma) - przy powstaniu żelaza, reakcje termojądrowe ustają. Wtedy gwiazda nie może utrzymać swojej masy i się zaczyna zapadać. I zależnie od masywności gwiazdy powstanie - albo biały karzeł, albo gwiazda neutronowa bądź czarna dziura (wybuch supernowej).

    OdpowiedzUsuń
  4. A jeśli chodzi o pierwiastki takie jak lit czy beryl to one występują głównie w brązowych karłach - niewypałach w których temperatura jest zbyt niska by zaszły reakcje termojądrowe.

    OdpowiedzUsuń