Ewolucja Wszechświata Wykład 8
advertisement
Ewolucja Wszechświata Wykład 8 Diagram HR Diagram Hertzsprunga - Russella –zależność jasności gwiazdy od temperatury powierzchniowej Temperatura Olbrzymy Ciąg główny Białe karły Jasność Superolbrzymy Diagram HR Na diagonali leżą gwiazdy o podobnych promieniach. Diagram HR Zależność położenia na diagramie od masy gwiazdy tylko dla gwiazd ciągu głównego. Ewolucja gwiazd Przebieg ewolucji gwiazdy zależy jedynie od jej masy w momencie rozpoczęcia reakcji termojądrowych w jej wnętrzu. Duża masa – szybsza ewolucja Gwiazdy o masach mniejszych niż 0,08 masy Słońca (brązowe karły) nie są w stanie zapoczątkować przemiany termonuklearnej. Gwiazdy o masach mniejszych niż 0,8 masy Słońca nie są w stanie zapoczątkować przemiany helu w węgiel. Gwiazdy o masach (0,8 –3) masy Słońca nie są w stanie zapalić węgla. Gwiazdy o masach większych niż 3 masy Słońca mogą zapoczątkować spalanie węgla (T > 600 mln K). Ewolucja gwiazd Protogwiazda • • W czasie kurczenia się energia grawitacyjna zamienia się w ciepło, ogrzewając centrum obłoku. Gaz nagrzewa się do 2 do 3 tys. K, • Świeci na czerwono, ale otaczający go kokon gazowo-pyłowy pochłania promieniowanie i wysyła je dalej w podczerwieni i w zakresie mikrofalowym. Ewolucja gwiazd Gwiazda typu T Tauri •Silny wiatr gwiazdowy wyrzuca część masy rodzącej się gwiazdy, rozwiewając jednocześnie gazowo-pyłowy kokon. •Gwiazda staje się widoczna z zewnątrz •We wnętrzu rozpoczynają się reakcje zamiany wodoru w hel Rozpoczyna się najdłuższy etap życia gwiazdy – na ciągu głównym diagramu HR Ewolucja gwiazd Narodziny gromady gwiazd, październik 2000 - zdjęcie z kosmicznego teleskopu Hubble'a. Nowo powstałe gwiazdy wyłaniają się z mgławicy N81 położonej w Małym Obłoku Magellana. Na zdjęciu widoczny ciemny pył międzygwiazdowy i gaz pobudzony do świecenia przez promieniowanie ultrafioletowe wysyłane przez młode gwiazdy. Autor: NASA. Ewolucja gwiazd Gwiazda ciągu głównego W momencie rozpoczęcia nukleosyntezy gwiazda przesuwa się na ciąg główny. Pozycja gwiazdy zależy od masy. W jądrze wodór zamienia się w hel Gwiazda jest w równowadze hydrostatycznej Ten etap zajmuje około 90% życia gwiazdy. Ewolucja gwiazd Podolbrzym W jądrze cały wodór zamienił się w hel, reakcja termojądrowa wygasa Ciśnienie promieniowania maleje Zachwiana równowaga hydrostatyczna Jądro się kurczy, jego temperatura rośnie, zapalając wodór w otoczce Wzrasta wydzielanie energii powodując rozdęcie zewnętrznych warstw gwiazdy Gwiazda staje się podolbrzymem Ewolucja gwiazd Podolbrzym Gwiazda przesuwa się na diagramie od punktu A do B Jądro kurczy się i ogrzewa. A B Reakcje termojądrowe zachodzą tylko w cienkiej warstwie otaczającej jądro. Nadmiarowa energia wytwarzana w pobliżu jądra częściowo pochłaniana jest w warstach środkowych. Rozszerzanie tych warstw i obniżenie temperatury powierzchniowej – gwiazda świeci na czerwono. Rozmiar powiększa się kilkukrotnie Ewolucja gwiazd Olbrzym C A B Obniżenie temperatury warstw powierzchniowych powoduje ich nieprzezroczystość. Transport energii przez promieniowanie niemożliwy – konwekcja zaczyna odgrywać główną rolę. Wydajny mechanizm transportu energii jakim jest konwekcja prowadzi do dużego wzrostu jasności gwiazdy (B -C) Rozmiar powiększa się stukrotnie Jako olbrzym gwiazda może wyrzucać spore ilości gazu w postaci ,,wiatru'‘. Ewolucja gwiazd Degeneracja gazu elektronowego. Kurczenie się jądra powoduje degenerację gazu elektronowego. Elektrony to fermiony, które obowiązuje zakaz Pauliego W danym stanie kwantowym może znajdować się tylko jedna cząstka danego rodzaju Zasada nieoznaczoności Heisenberga wyznacza skończoną liczbę stanów kwantowych w przestrzeni fazowej położeń i pędów: x p W każdym takim stanie mogą znajdować się najwyżej 2 elektrony o przeciwnych spinach. Ściśnięcie gazu elektronowego x maleje p rośnie ciśnienie wzrasta Ewolucja gwiazd Jeśli objętość zajmowana przez gaz maleje (wzrasta gęstość), wówczas zmniejsza się ilość dostępnych dla cząstek stanów kwantowych w przestrzeni fazowej położeń i pędów. Gdy cząstki wypełnienią wszystkie dostępne stany kwantowe, mamy do czynienia ze zdegenerowanym gazem elektronowym. Ciśnienie gazu zdegenerowanego jest określone całkowicie przez gęstość gazu i nie zależy od jego temperatury. Dalszemu zapadaniu się jądra gwiazdy przeciwdziała wielkie ciśnienie zdegenerowanego gazu elektronowego. Helowe jądro staje się białym karłem o masie około połowy masy Słońca i wielkości Ziemi – gęstość około 106 razy większa niż gęstość wody. Ewolucja gwiazd Budowa wewnętrzna czerwonego olbrzyma o masie 5 mas Słońca. Centralnie położony biały karzeł otoczony przez niezwykle głęboką atmosferę gwiazdową. Rozmiar Słońca. Powiększone 100 razy Ewolucja gwiazd Błysk helowy Kiedy temperatura w jądrze osiągnie wartość 108 K zapala się hel. Proces 3 : 4 He 4 He 4 He 12C C 4 He 16O 12 Szybkość tej reakcji jest bardzo czuła na temperaturę ( T40) Niewielki wzrost temperatury prowadzi do wybuchu – gwałtownego zapalenia się helu (błysk helowy). Przez krótką chwilę moc wytwarzana przez czerwonego olbrzyma jest porównywalna z mocą wszystkich gwiazd galaktyki. Ewolucja gwiazd Olbrzym C D A B Błysk helowy (C) wyzwala tyle energii, że znosi stan degeneracji gazu elektronowego. Gwiazda wchodzi we względnie stabilną fazę, w której hel spala się w węgiel w sposób kontrolowany. Osiada na gałęzi horyzontalnej (C - D). Ewolucja gwiazd Superolbrzym E C D A B Po wyczerpaniu zapasu helu jądro ponownie zapada się, a zewnętrzne warstwy rozszerzają (D - E). Spalanie helu tylko w warstwie otaczającej jądro. Powtórzenie etapu (A - B) po wyczerpaniu zapasów wodoru. Ewolucja gwiazd Struktura wewnętrzna superolbrzyma... i jego wielkość Ewolucja gwiazd małych Gwiazdy o masach nie większych niż 3 masy Słońca F E C D A B Gwiazda odrzuca swoje warstwy zewnątrzne odsłaniając gorące jądro węglowo-tlenowe (E - F). W miarę odrzucania warstw zewnątrznych rośnie temperatura powierzchni. Powstają mgławice planetarne. Wyrzucane są z prędkością 1000-2000 km/sec Mgławice planetarne Gorące jądro węglowe Mgławice planetarne Mgławice planetarne Mgławice planetarne Mgławice planetarne Mgławice planetarne Mgławice planetarne Mgławice planetarne Ewolucja gwiazd małych F E C D A Jądro zapada się pod wpływem grawitacji do momentu, gdy powstanie zdegenerowany gaz elektronowy. B G Powstaje stabilny układ – biały karzeł Ewolucja gwiazd małych 9 mld lat 1 mld lat Ewolucja Słońca Słońce ma 4,6 mld lat – znajduje się na ciągu głównym. Temperatura w środku - 16106 K Wodoru wystarczy jeszcze na następne 6 mld lat. W tym czasie Słońce stanie się 2 razy jaśniejsze. Na Ziemi na skutek efektu cieplarnianego oceany wyparują. Klimat Ziemi będzie przypominał obecną Wenus. Po wyczerpaniu wodoru w jądrze spalanie odbywać się będzie tylko w cienkiej warstwie powyżej jądra. Jądro zacznie się zapadać i ogrzewać. Wzrost temperatury zwiększy szybkość reakcji Ewolucja Słońca Energia z kurczącego się jądra częściowo pochłaniana w środkowych warstwach spowoduje ich rozszerzanie. Temperatura powierzchni spadnie od dzisiejszych 6000 K do 3000 K. Jaskrawo czerwony kolor. Silne wiatry słoneczne zmniejszą masę Słońca o 25%. Planety przesuną się na dalsze orbity. (Ziemia w obecnym położeniu Marsa). Około miliarda lat po wyczerpaniu w jądrze wodoru gęstość w jądrze jest tak wielka, ze prowadzi do degeneracji gazu elektronowego. Rozpoczyna się spalanie helu w węgiel – błysk helowy znosi stan degeneracji. Energia porównywalna z promieniowaniem miliardów gwiazd stopi skały na Ziemi. Ewolucja Słońca Faza czerwonego olbrzyma – w czasie około 100 mln lat kontrolowane spalanie helu w jądrze. Jasność Słońca około 2000 razy większa niż obecnie będzie stopniowo spadać do wartości 50 razy większej niż obecnie. Skały na Ziemi znów będą ciałem stałym – temperatura spadnie do kilkuset 0C. Po wyczerpaniu zapasu helu w jądrze znów następuje kontrakcja jądra i rozdęcie warstw zewnętrznych. Wyrzut mgławicy planetarnej. Pozostanie biały karzeł powoli stygnący przez kolejne miliardy lat. Biały karzeł Biały karzeł stygnie i nie zmienia swoich rozmiarów. Promień zbliżony do promienia Ziemi Masa: 0,4 – 1,4 masy Słońca Gęstość: 106 g/cm3 Jądro węglowo-tlenowe Budowa typowego białego karła Syriusz B – biały karzeł Syriusz – najbliższa Słońca gwiazda Biały karzeł Zdjęcie z teleskopu Hubble’a przedstawiające mały obszar blisko centrum gromady gwiazd M4 w naszej Galaktyce z dużą koncentracją białych karłów (w kółkach) Biały karzeł Stabilna konfiguracja, w której ciśnienie gazu zdegenerowanego równoważy grawitację. Promień maleje ze wzrostem masy: R M 1 / 3 Gdy masa osiągnie 1,44M, promień jest równy zeru. Masa 1,44 M jest największą dopuszczalną masą białego karła (granica Chandrasekhara) A jeśli masa przekracza 1,44 M ? Biały karzeł 3 Masa/masa Słońca Śmierć Syriusza 2 Grawitacja większa od ciśnienia degeneracji Śmierć Słońca 1 Ciśnienie degeneracji większe od grawitacji Bałe karły 0 103 104 105 Obwód w km 106 107 Ewolucja gwiazd masywnych Gwiazdy o masach większych niż 3 masy Słońca Nukleosynteza nie kończy się na węglu, jak dla gwiazd mniejszych. Gdy wyczerpią się zapasy helu, jądro gwiazdy kurczy się i osiąga temperaturę (T > 600 mln K), przy której dochodzi do zapalenia węgla: C 12C 24Mg +13,930 MeV C 12C 23Na p +2,238 MeV 12 C 12C 20Ne +4,612 MeV 12 C 12C 16O 2 -0,114 MeV 12 12 Ewolucja gwiazd masywnych Nukleosynteza kończy się na żelazie 56Fe. Synteza żelaza jest już procesem endotermicznym. Ewolucja gwiazd masywnych Synteza coraz cięższych jąder trwa coraz krócej! Podczas syntezy żelaza jądro traci energię Jądro zaczyna się zapadać i ogrzewać. Ewolucja gwiazd masywnych Podczas zapadania jądro przechodzi przez fazę białego karła (zdegenerowany gaz elektronowy), jednak masa jest większa niż 1,44M i ciśnienie zdegenerowanego gazu nie może powstrzymać grawitacji. W temperaturze 5 – 10 mld K zaczyna się proces fotodezintegracji jąder: 56 Fe 13 He 4n 4 4 Jądra atomowe rozpadają się He 2 p 2n W procesie tym pobierana jest wielka energia Jądro gwiazdy zapada się coraz szybciej Ewolucja gwiazd masywnych Większość protonów zamienia się w neutrony w wyniku odwrotnego rozpadu beta: p e n Jest to proces nieodwracalny, ponieważ rozpady beta nie mogą zachodzić. n p e Na te elektrony nie ma miejsca w przestrzeni fazowej degeneracja gazu elektronowego Gwiazdy neutronowe Neutrony też są fermionami Powstaje zdegenerowany gaz neutronowy o olbrzymim ciśnieniu, które zatrzymuje proces kontrakcji. Jądro staje się gwiazdą neutronową Obiekt o promieniu około 10 -20 km, masie równej 1 – 2 mas Słońca i gęstości miliarda ton na cm3! Największą masą gwiazdy neutronowej jest prawdopodobnie 1,5-2 masy Słońca (masa Oppenheimera-Volkoffa) Gdy masa jest większa, ciśnienie zdegenerowanego gazu neutronowego nie może powstrzymać kontrakcji jądra i gwiazda zapada się w czarną dziurę. Śmierć gwiazdy Wypalone gwiazdy mogą zajmować położenia tylko na tych krawędziach. Gwiazdy neutronowe Porównanie wielkości gwiazdy neutronowej i białego karła. Gęstość gwiazdy neutronowej jest ogromna! Gwiazdy neutronowe W czasie kurczenia jądra zostaje zachowany moment pędu. Wielokrotne zmniejszenie promienia powoduje znaczny wzrost prędkości rotacji. Gwiazdy neutronowe mają bardzo silne, dipolowe pola magnetyczne. Bieguny magnetyczne nie muszą znajdować się na osi rotacji. Niektóre gwiazdy neutronowe obserwujemy jako pulsary. Pulsary wysyłają krótkie błyski o częstościach radiowych, powtarzające się z zegarową dokładnością z okresem od milisekund do sekund. Fale radiowe generowane są przez relatywistyczne elektrony, krążące wokół linii sił pola magnetycznego. Kierunek emisji promieniowania ograniczony jest do wąskiego stożka w przestrzeni, który szybko rotuje wraz z gwiazdą. Supernowa Jądro gwiazdy z materii neutronowej jest nieściśliwe. Opadające na nie zewnętrzne warstwy gwiazdy, gwałtownie odbijąją się. Gwiazda wybucha jako supernowa Emituje tyle energii, ile cała galaktyka (miliardy gwiazd) W czasie wybuchu zachodzą szybkie reakcje syntezy ciężkich pierwiastków (cięższych od żelaza). Cykl życiowy masywnej gwiazdy Supernowa Zmiany jasności supernowej w czasie. Wybuch supernowej trwa zaledwie kilka dni. Supernowa nukleosynteza Wyczerpanie zapasów i kontrakcja jądra Początek wybuchu W trakcie wybuchu maleje jasność i zmienia się barwa od niebieskiej do czerwonej Pozostała wirująca gwiazda neutronowa - pulsar Supernowa Wybuch supernowej w galaktyce Centaurus A Zmienność jasności supernowej w czasie Jej jasność porównywalna z jasnością całej galaktyki Po kliknięciu na zdięciu uruchomi się film mpeg Supernowa Trzy zdjęcia wykonane za pomocą HST ukazują: (u góry) Głębokie Pole Hubble'a z licznymi odległymi galaktykami; (u dołu z lewej) strzałka wskazuje galaktykę eliptyczną, w której wybuchła supernowa - obszar ten to powiększony kwadracik na górnym zdjęciu; (u dołu z prawej) sama eksplodująca gwiazda. Fot. NASA/Adam Riess/STScI. Porównano dwa zdjęcia Głębokiego Pola Hubble'a, wykonane w odstępie 2 lat: w 1995 i 1997 r. Porównując komputerowo jasność galaktyk i jej zmiany, odkryto nagłe pojaśnienie na zdjęciu z 1997 r. Supernowa! Supernowe Kolizja dwóch galaktyk NGC 4038 i NGC 4039 w konstelacji Kruka (zdjęcie z obserwatorium Chandra). Czarne dziury i gwiazdy neutronowe widoczne jako silne źródła promieniowania rentgenowskiego (jasno świecące plamy). W czasie kolizji galaktyk rzadko dochodzi do bezpośrednich zderzeń gwiazd, w zamian za to chmury gazu i pyłu obu galaktyk, oddziałując na siebie, wyzwalają gwałtowne eksplozje gwiazd olbrzymów, w wyniku których powstają tysiące supernowych. Eksplodujące gwiazdy pozostawiają bąble wzbudzonego gorącego gazu i zapadnięte jądra gwiazd. Autor: NASA Wielkości gwiazd -porównanie Ewolucja gwiazd - podsumowanie Ewolucja gwiazdy masywnej Ewolucja gwiazdy podobnej do Słońca Brązowe karły Masa gwiazdy Ewolucja gwiazd - podsumowanie Gromady gwiazd Droga Mleczna w otoczeniu gromad gwiazd. Fot. Obserwatorium w Lund Gromady gwiazd Gromady otwarte Gromady otwarte są mniejsze od gromad kulistych. W ich skład wchodzi do kilku tysięcy gwiazd. Są stosunkowo młode, ich wiek dochodzi do kilku miliardów lat, ale najmłodsze z nich liczą sobie zaledwie kilka milionów lat. Gromada otwarta NGC1850 Gromady gwiazd Diagramy HR dla gromad otwartych – prawie wszystkie gwiazdy leżą na ciągu głównym. Wiek gromady liczony w milionach lat. Gromady gwiazd Wiek gromady można określić na podstawie punktu odejścia od ciągu głównego. Gromady gwiazd Gromady kuliste W skład gromad kulistych wchodzi wiele tysięcy lub nawet milionów gwiazd, które tworzą sferę. Gromady tego typu są bardzo stare - czasem ich wiek jest zbliżony do wieku Wszechświata. Gromady gwiazd Diagram HR dla gromady kulistej NGC6362 Wiek gromady: 12 mld lat Populacje gwiazd Podział gwiazd wprowadzony przez W. Baadego w latach 1940: Populacja I - gwiazdy względnie młode, występujące w ramionach spiralnych galaktyk, zwykle w sąsiedztwie gazu i pyłu. Populacja II - gwiazdy starsze, występujące zwykle w obszarach pozbawionych gazu i pyłu takich jak gromady kuliste i jądra galaktyk.
