Warsztaty Fizyczne - maj 2010 - materiały dla uczestników

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Społecznego

1

Narodziny gwiazd

dr Anna Bartkiewicz

Centrum Astronomii, UMK

Najbardziej powszechne ciała niebieskie, które widzimy patrząc w nocne niebo to

gwiazdy. Gwiazdy, czyli olbrzymie kule gazowe, w których zachodzą reakcje syntezy jądrowej
(np. reakcja połączenia wodoru H, która daje hel He oraz porcję energii) emitujące energię w
postaci promieniowania elektromagnetycznego, w szczególności fal z zakresu widzialnego:
światła. Najprostsza definicja gwiazdy to krótkie stwierdzenie, że świecą własnym światłem i są
dla nas widoczne. Inne ciała niebieskie, jak planety, czy księżyce nie produkują tego rodzaju
energii i są dla nas widoczne dzięki temu, że odbijają światło od gwiazd. Słońce to najbliższa
nam gwiazda, znajduje się ok. 150 000 000 km od nas. Księżyc, satelita ziemski, staje się
widoczny mieszkańcom naszej planety dzięki temu, że odbija światło słoneczne.

Różnorodne gwiazdy – o różnej masie, w różnym wieku, różnym rozmiarze,

rozmieszczone są w całej Galaktyce stanowiąc jej podstawowy budulec. Niektóre z gwiazd to
„niemowlęta” - bardzo młode gwiazdy zaczynające dopiero spalanie wodoru, inne to
„nastolatki” żyjące całą pełnią, tryskające energią. Są też gwiazdy starsze, będące u schyłku
życia, którym kończy się paliwo podtrzymujące reakcje dające energię. Są też i te które kończą
swój żywot, jedne statecznie spalając spokojnie hel, inne zaś spektakularnie wybuchając jako
nowe czy supernowe, a kończąc jako tajemnicze czarne dziury. śycie gwiazd, tak jak nasze,
posiada w sobie wiele piękna i tajemniczości, które chcemy poznawać. Mieszkając na naszej
planecie Ziemi czy też wznosząc się nieco poza jej obszar, możemy jedynie usiłować podglądać
życie ciał niebieskich wykorzystując przy tym najnowszą technologię ludzkości i próbując
sięgać dalej i głębiej. Dzisiaj możemy jedynie pomarzyć o podróżach w statkach kosmicznych,
w których mijalibyśmy kolejne gwiazdy patrząc przez okna na ich rozwój.

Artystyczna wizja Drogi Mlecznej -
widoczne jest zgrubienie centralne oraz
ramiona

spiralne

Galaktyki

(R.Hurt,

NASA/JPL)

Teleskop Gemini ulokowany na Hawajach
na wysokości 4,2 km n.p.m. posiadający
lustra o średnicy 8,1 m (www.gemini.edu).

Spróbujmy podejrzeć narodziny gwiazd. Jak i gdzie powstają te olbrzymie kule gazowe?

Gdzie są tzw. obszary formowania gwiazd? Dla niektórych jest to zaskoczeniem, ale również
dzisiaj rodzą się gwiazdy! Do powstania gwiazdy z pewnością potrzebny jest materiał. Jest nim
materia międzygwiazdowa wypełniająca przestrzeń kosmiczną. Jej główny składnik to
oczywiście wodór atomowy H. Materia musi być znacznie bardziej gęstsza niż ta typowa w

Warsztaty Fizyczne - maj 2010 - materiały dla uczestników

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Społecznego

2

przestrzeni (kilka cząsteczek w cm3), by mogły zajść procesy prowadzące do powstania gwiazd.
Patrząc na galaktykę spiralną (w takiej mieszkamy!) można zauważyć, że to ramiona spiralne są
skupiskiem materii, która dostrzegamy własnym okiem. Faktycznie w Drodze Mlecznej, czyli
naszej Galaktyce obszary powstawania gwiazd ulokowane są w ramionach. Wiemy to z badań
prowadzonych w zakresie podczerwieni oraz na falach radiowych. Gęste obszary gazu i pyłu
uniemożliwiają wydostanie się promieniowania z zakresu widzialnego (światła) spoza ich
obszarów. Dlatego też astronomowie używają odbiorników rejestrujących promieniowanie
podczerwone (np. teleskopy GEMINI na Hawajach i w Chile) lub też radioteleskopów (np.
amerykańska sieć Very Large Array – układ 27 anten o średnicy 25m). Fale z zakresu
podczerwieni czy radiowego są dłuższe i udaje się im wydostać z gęstych kokonów materii.
Gwiazdy rodzą się w obłokach molekularnych. W niektórych miejscach powstają zagęszczenia,
powstaje wodór cząsteczkowy H2, znacznie wzrasta gęstość materii. Zaczyna się zapadanie
materii pod wpływem sił grawitacji, tym samym materia ogrzewa się. Zapadający się obłok
rozpada się na mniejsze, te dalej zmniejszają swą objętość i rozgrzewają – materia staje się
sferyczną obracająca protogwiazdą. Kiedy temperatura wzrośnie do kilkunastu milionów stopni,
wtedy zaczynają się reakcje syntezy jądrowej i rodzi się gwiazda.

Schemat powstania protogwiazd i narodzin gwiazd:

Olbrzymi obłok molekularny,
gdzie materia jest kilkaset
razy

gęstsza

od

materii

między-gwiazdowej.

W

wyniku

niestabilności

(zaburzenia)

powstają

w

obłoku

molekularnym

zagęszczenia materii, wodór
atomowy tworzy się wodór
cząsteczkowy.

Zagęszczenia materii zapadają
się,

gęstnieją,

ocieplają.

Tworzą

się

protogwiazdy.

Kiedy temp. wzrośnie do mln K
zaczynają się proces palenia
wodoru - rodzi się gwiazda!

Co powoduje powstanie zaburzenia w obłoku molekularnym? Niekiedy może to być zderzenie
takich obłoków. Najczęściej jednak jest to przejście fali uderzeniowej (jak np. podmuch wiatru,
który odczuwamy, kiedy obok nas przejedzie autobus) będące wynikiem np. wybuchu
supernowej gdzieś w pobliżu. Śmierć jednej gwiazdy napędza mechanizmy gwiazdotwórcze
innej gwiazdy a materia wyrzucona podczas wybuchu zostaje zużyta jako budulec dla
powstającej gwiazdy.

Współczesna astrofizyka skupia się na badaniu narodzin gwiazd masywnych (czyli

takich, które zaczynają życie mając masę co najmniej 8 mas Słońca a kończą jako czarne
dziury). Zwykły mechanizm akrecji (opadania materii), który zaprezentowano powyżej nie jest
w stanie wygenerować masywniejszych obiektów. Ciśnienie we wnętrzu takiej protogwiazdy nie
pozwoliłoby na dokładanie budulca. Najnowsze obserwacje radiowo-podczerwone sugerują
nam, że mamy do czynienia ze scenariuszem okołogwiazdowego torusa przez który opada
materia na protogwiazdę, a nadmiar energii usuwany jest przez okołobiegunowe wypływy. W
badaniach tych udział biorą również toruńscy astronomowie. Okazuje się, że wokół masywnych
protogwiazd znajdują się skomplikowane cząsteczki, które emitują fale o długości kilku cm.

Warsztaty Fizyczne - maj 2010 - materiały dla uczestników

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Społecznego

3

Radioteleskop Centrum Astronomii UMK w Piwnicach posiada odpowiednie odbiorniki, aby
takie sygnały odbierać.

Do wyjaśnienia zagadek astrofizycznych potrzeba prac astronomów z całego świata.

Jedni wykonują modele zachodzących procesów, drudzy zbierają dane, aby móc zbadać
prawdziwość takich modeli. Modele są następnie poprawiane. Krok po kroku, długotrwałe
badania... po to, by rozwiązać jedną z zagadek jak rodzą się gwiazdy?

Radioteleskop UMK w Piwnicach pod Toruniem o średnicy czaszy 32m. Antena posiada

odbiorniki na fale cm (foto S.Krawczyk).