Hvězdy, černé díry a galaxie
Přihlásit se
Hvězdy, černé díry a galaxie (4/18) · 12:54

Bílí a černí trpaslíci Složitá cesta k trpaslíkům, nebeským tělesům s obrovskou hustotou

Navazuje na Měřítka ve vesmíru.
V předchozím videu jsme mluvili o hvězdách v hlavní posloupnosti, jako je i Slunce. V jádru takové hvězdy probíhá fúze vodíku. Mimo jádro se nachází jen samotný vodík, tedy vodíková plazma. Plazmou se myslí elektrony a protony jednotlivých atomů, které se oddělily kvůli vysoké teplotě a tlaku. V podstatě je to polévka elektronů a protonů, místo obvyklých atomů, které existují při nižších teplotách. Tak tedy vypadá hvězda na hlavní posloupnosti. V předchozím videu jsme viděli, že její vodík fúzuje (slučuje se) za vzniku helia. V jádru je tedy helia čím dál víc. Čím je helia víc, tím má jádro větší hustotu. Atomy helia jsou totiž mnohem hmotnější, takže obsahují více hmoty v menším objemu. Jádro houstne a houstne, takže fúze probíhá rychleji a rychleji. Děje se to kvůli vyšší hustotě, většímu gravitačnímu tlaku, více hmoty se chce dostat dovnitř a tím působí na fúzující vodík ještě větší tlak, takže fúze začne probíhat za vyšší teploty. Fúze vodíku probíhá stále rychleji. To vlastně pozorujeme i u našeho Slunce, které je zářivější a jeho teplota roste. Fúze je rychlejší než v době svého vzniku před 4,5 či 4,6 miliardami let. Ale nakonec dojde k tomu, že v jádru zbyde už jen helium. V tu chvíli bude mít jádro daleko vyšší hustotu než naše jádro na obrázku. Všechna hmota se přeměnila na helium. Tedy ne úplně všechna, hodně se přeměnilo na energii, ale většina na helium. Hmota bude zabírat mnohem menší objem. Po celou tu dobu roste teplota a vodík fúzuje rychleji a rychleji. Nakonec máme hustý střed plný helia, které už nefúzuje, ale obal kolem něj obsahuje fúzující vodík. V obalu tedy stále probíhá fúze vodíku a mimo něj je jen vodíková plazma. Teď přijde ta zvláštní věc, tedy alespoň mně zpočátku zvláštní připadala. Jádro se zahřívá a zahušťuje a urychluje se tím fúze. Jádro je žhavější, fúze probíhá rychleji, je čím dál hustější a můžu si představit, že se hroutí, čímž se ještě více zahřívá a houstne. Zároveň s tím hvězda roste. Kdybych to kreslil ve správném měřítku, byl by rudý (červený) obr mnohokrát větší než hvězda na hlavní posloupnosti. Nicméně čím víc jádro houstne, tím má zbytek hvězdy menší hustotu. Jádro vytváří takové množství energie, že hvězda dokáže lépe vyvážit gravitační sílu působící směrem dovnitř. To znamená, že zbytek hmoty ve vnějších částech Slunce se rozkládá na větším objemu. A protože je objem o tolik větší než povrch, jak jsme viděli v minulém videu, tak povrch rudých obrů je oproti hvězdám na hlavní posloupnosti chladnější. Když si to dáme do perspektivy: Až se Slunce stane rudým obrem, jeho průměr bude oproti dnešku stokrát větší. Jinými slovy se zvětší na velikost dnešní oběžné dráhy Země kolem Slunce. Anebo ještě jinak. Pokud bude Země kroužit po stejné ose jako dnes, bude se nacházet na okraji budoucího Slunce nebo možná uvnitř něj. A nebo jinak. Až se Slunce stane rudým obrem, tak Země, která nebude ve srovnání s ním větší než smítko, bude roztavena a vypařena. Rudý obr je nesmírně obrovský. Světlu trvá 8 minut, než dorazí ze Slunce k naší oběžné dráze. Než světlo urazí cestu z jednoho konce hvězdy na druhý, bude mu to trvat 16 minut. Tyto hvězdy jsou tedy obrovské a budou ještě daleko větší, až se z nich stanou veleobři. Nicméně zpět k tématu. V jádru máme helium... Nakreslím to. Ve středu máme jádro helia. Přeměna vodíku na helium probíhá v rudém obrovi stále rychleji. Teplota jádra roste až do chvíle, kdy dosáhne teploty vznícení helia, než dosáhne zhruba 100 milionů kelvinů. Teplota vznícení vodíku přitom byla desetkrát nižší, tedy 10 milionů kelvinů. V jádru najednou začíná fúze helia. V předchozím videu jsme se dotkli toho, že helium se mění na těžší prvky. A těmi těžšími prvky jsou zejména uhlík a kyslík. Určitě už tušíte, že tímto způsobem ve vesmíru vznikají těžší a těžší prvky. Rodí se doslova v jádru hvězd, zejména tedy prvky až do železa. V jádru tedy probíhá fúze helia, okolo kterého je helium s nižší teplotou a tlakem, takže nemůže fúzovat. Tedy obvyklé helium. V další vrstvě však máme dostatečnou teplotu a tlak, aby mohla probíhat fúze vodíku, takže okolo něj máte vrstvu fúzujícího vodíku. A úplně vně máte obvyklou vodíkovou plazmu. Co se tady stane? Když v jádru probíhá fúze helia, tak to poskytuje jádru energetickou „vnější podporu“. To znamená, že jádro se uvolňováním energie dále smršťuje a zhušťuje a tato energie hvězdu opouští a odnáší materiál dále. Ale zároveň stále v této vrstvě fúzuje vodík na helium, takže tato inertní část heliového jádra dál roste a narůstá i tlak a teplota ve vnitřních částech. Co se za chvíli stane – samozřejmě „za chvíli" z hlediska života vesmíru – helium bude fúzovat při velice vysoké teplotě, díky vysokému tlaku, ale v určitém okamžiku už to nebude tlak schopen udržet a jádro exploduje. Ale exploze hvězdu nezničí, jádro pouze vyvrhne spoustu energie. Tomu se říká „heliový záblesk". Jakmile se to stane, hvězda bude více stabilnější, samozřejmě v rámci možností, protože rudý obr je méně stabilní než hvězdy v hlavní posloupnosti. Objem jádra se zvětší, už nebude tak malé jako před heliovým zábleskem. Nyní může helium fúzovat za vzniku uhlíku a kyslíku. Může se samozřejmě přeměňovat i na jiné prvky, které se nacházejí mezi heliem, uhlíkem a kyslíkem, ale tyto dva jsou nejčastější. V další vrstvě je helium, které nefúzuje, za ním v další vrstvě je vodík, který se fúzí přeměňuje na helium, a nakonec zbytek obrovského rudého obra tvoří vodíková plazma. Co se bude dít, když bude hvězda „stárnout"? Pamatujte si, že čím je jádro hustější, tím prvky reagují rychleji, jádro vydává více energie, hvězda roste a povrch se ochlazuje. To se děje i u hvězd jako Slunce. Pokud jsou hvězdy hmotnější, tak jádro tvořené uhlíkem a kyslíkem může fúzovat do těžších prvků. Ale Slunce se nikdy nedostane na teplotu 600 milionů kelvinů, při kterých by uhlík a kyslík dále fúzovaly. Můžete mít jádro tvořené uhlíkem a kyslíkem, tedy hlavně uhlíkem a kyslíkem, obklopené fúzujícím heliem, pak obklopené nefúzujícím heliem, dále obklopené fúzujícím vodíkem, který je obklopený vodíkovou plazmou. Ale jednoho dne všechno toto palivo hvězdám dojde. Vyčerpají všechen svůj fúzující vodík, i fúzující helium – toto je fúzující vodík a toto je inertní helium, které bude vyčerpáno – a zbyde jim jen jádro plné uhlíku a kyslíku. Když se dostanete do tohoto bodu, kdy budete mít extrémně žhavé a husté jádro uhlíku a kyslíku. Celý ten čas bude houstnout a budou se tvořit těžší prvky. Ale takové hustoty nedosáhneme v případě Slunce, to se stává jen hmotnějším hvězdám. Ale Slunce nebude tak žhavé, aby se vytvářel uhlík a kyslík. Takže toto bude hustá koule, která bude plná uhlíku, kyslíku a jiných prvků. V takovou chvíli hvězda obsahuje obrovské množství energie a stále víc jí také vyzařuje a zvětšuje se poloměr hvězdy. Povrch je čím dál chladnější a kolem jádra se tvoří obrovský oblak plynu, který se táhne daleko za hranice původního rudého obra. Hvězda už má jen velmi hustou hmotu tvořenou inertním uhlíkem a kyslíkem, což zatím není případ Slunce. Hvězda je velmi horká a bude uvolňovat záření. Takovou hvězdu nazýváme „bílým trpaslíkem". V následujících mnoha a mnoha letech bude postupně chladnout. Nakonec ztratí všechnu svou energii a vychladne úplně. Až ji bude tvořit jen velmi hustá koule z uhlíku a kyslíku, kterou nazýváme „černým trpaslíkem". Černí trpaslíci nevydávají světlo, takže je můžeme pozorovat jen velmi těžko. Světlo nevydávají ani černé díry, ale ty mají na rozdíl od černých trpaslíků vyšší hmotnost a významně ovlivňují dění ve svém okolí. Jak dopadne Slunce, již tedy víme. V dalších videích budeme mluvit o tom, co se stane menším a větším objektům než Slunce. Ačkoli si můžete představit hmotnější hvězdy, jak za vyššího tlaku a hustoty v jádře tvoří těžší prvky až k železu.
video