Z czego zbudowane są gwiazdy?

Wszyscy jesteśmy zbudowani z gwiezdnego pyłu – to często cytowane zdanie odnosi się do faktu, że prawie wszystkie pierwiastki w ludzkim ciele zostały wykute w gwieździe. Ale z czego zbudowane są same gwiazdy?

Właściwie gwiazdy są zbudowane z tych samych pierwiastków chemicznych co planeta Ziemia, choć nie w tych samych proporcjach. Zdecydowana większość gwiazd zbudowana jest prawie w całości z wodoru (około 90%) i helu (około 10%) – pierwiastków, które są stosunkowo rzadkie na naszej planecie i najlżejsze w układzie okresowym – podczas gdy wszystkie inne pierwiastki stanowią zaledwie 0,1%.

Wśród innych pierwiastków zwykle dominuje tlen, następnie węgiel, neon i azot, a żelazo jest najczęstszym pierwiastkiem metalicznym. Mimo to, w Słońcu jest tylko jeden atom tlenu na każde 1200 atomów wodoru i tylko jeden atom żelaza na każde 32 atomy tlenu.

To ma sens, że wodór jest dominującym elementem Słońca i innych gwiazd. Aby płonąć jasno przez miliardy lat, gwiazdy przekształcają wodór w hel poprzez ciągłą reakcję jądrową podobną do bomby wodorowej. Tak więc, w pewnym sensie, Słońce jest w stanie ciągłej eksplozji nuklearnej, a pojawia się jako stała kula tylko dlatego, że jest utrzymywane razem przez własną masywną grawitację.

Co więcej, jak zobaczymy, skład i chemiczny makijaż gwiazd może się znacznie różnić w zależności od ich stanu starzenia się lub miejsca w galaktyce.

Ponadto, pierwiastki inne niż wodór i hel mogą być wytwarzane przez gwiazdy, ale tylko pod koniec ich cyklu życia. Zazwyczaj, w gwiazdach takich jak Słońce, cięższe pierwiastki zostały zasiane przez gwiazdy, które istniały przed nią. Niektóre gwiazdy gasną z hukiem, produkując supernowe – potężne i jasne eksplozje – podczas swoich ostatnich etapów ewolucji, które wyrzucają ciężkie pierwiastki w przestrzeń kosmiczną. Dlatego nowe gwiazdy mogą zawierać ten materiał. Ze względu na prawa fizyki, wszechświat poddaje wszystko recyklingowi.

Nie wszystkie gwiazdy świecą tak samo, ani nie są zrobione z tych samych rzeczy

Wszystkie gwiazdy są na swój sposób niesamowite, ale niektóre świecą jaśniej niż inne. Gorące gwiazdy podczas obserwacji z Ziemi wydają się białe lub niebieskie, podczas gdy chłodniejsze mają pomarańczowe lub czerwone odcienie. Astronomowie nanoszą jasność i temperaturę gwiazdy na wykres zwany diagramem Hertzsprunga-Russella, który jest przydatny do klasyfikacji gwiazd.

Chociaż istnieje wiele typów gwiazd, najbardziej powszechne są gwiazdy ciągu głównego – około 90% wszystkich znanych gwiazd, w tym Słońce, należy do tej klasy.

Poniżej gwiazd ciągu głównego znajdują się białe karły, pozostałości jądra gwiazdowego po wyczerpaniu przez gwiazdę całego paliwa. Te starożytne gwiazdy są niewiarygodnie gęste. Łyżeczka ich materii ważyłaby na Ziemi tyle, co słoń.

Takie gęstości są możliwe, ponieważ materia białych karłów nie składa się z atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, ale raczej składa się z plazmy niezwiązanych jąder i elektronów. Z tego powodu jądra mogą być umieszczone bliżej niż normalnie pozwalają na to orbitale elektronowe w normalnej materii.

Ponieważ białe karły są pozostałością po rdzeniach normalnych gwiazd, składają się głównie z produktów odpadowych reakcji syntezy jądrowej, którą kiedyś wspierały. Te „odpadowe” produkty to przede wszystkim węgiel i tlen, ze śladowymi ilościami innych pierwiastków. Nie oznacza to jednak, że nie ma tam helu i wodoru. Zewnętrzna część białego karła zawiera te dwa pierwiastki. Z powodu ogromnej siły grawitacji związanej z tymi gęstymi gwiazdami, pierwiastki te są rozwarstwione, a najcięższe z nich znajdują się w najgłębszych partiach gwiazdy.

Powyżej gwiazd ciągu głównego znajdują się „olbrzymy” i „supergiganty”. Zanim gwiazdy dotrą do samego końca swojej ewolucji – kiedy zamieniają się w karły lub wybuchają w supernowe – skraplają się i zagęszczają, nagrzewając się jeszcze bardziej w miarę spalania ostatniego wodoru. To powoduje, że zewnętrzne warstwy gwiazdy rozszerzają się na zewnątrz. Na tym etapie gwiazda staje się dużym czerwonym olbrzymem.

Zgodnie ze starymi badaniami opublikowanymi w 1985 roku w Astrophysical Journal, czerwone olbrzymy składają się głównie z helu i wodoru, a także węgla, tlenu, azotu i żelaza. Astrofizycy odnotowali również obecność ciężkich pierwiastków z procesu s, takich jak stront, itr, cyrkon, bar i neodym.

Supergianty należą do najbardziej masywnych i świecących gwiazd we wszechświecie. Gwiazdy, które są dziesięć razy większe od Słońca (lub większe) zamieniają się w supergwiazdy, gdy kończy im się paliwo. Są one podobne do czerwonych olbrzymów pod względem składu, z wyjątkiem tego, że są, jak się domyślacie, znacznie większe.

Słońce ma się zamienić w czerwonego olbrzyma, gdy wyczerpie się jego paliwo. Na szczęście nie stanie się to przez kolejne pięć miliardów lat.