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, Ŝe świecą własnym światłem i są 
dla  nas  widoczne.  Inne  ciała  niebieskie,  jak  planety,  czy  księŜyce  nie  produkują  tego  rodzaju 
energii  i  są  dla  nas  widoczne  dzięki  temu,  Ŝe  odbijają  światło  od  gwiazd.  Słońce  to  najbliŜsza 
nam  gwiazda,  znajduje  się  ok.  150  000  000  km  od  nas.  KsięŜyc,  satelita  ziemski,  staje  się 
widoczny mieszkańcom naszej planety dzięki temu, Ŝe odbija światło słoneczne.  
 

RóŜnorodne  gwiazdy  –  o  róŜnej  masie,  w  róŜnym  wieku,  róŜnym  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”  Ŝyjące  całą  pełnią,  tryskające  energią.  Są  teŜ  gwiazdy  starsze,  będące  u  schyłku 
Ŝycia, którym kończy się paliwo podtrzymujące reakcje dające energię. Są teŜ i te które kończą 
swój  Ŝywot,  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 teŜ wznosząc się  nieco poza jej obszar, moŜemy jedynie usiłować podglądać 
Ŝycie  ciał  niebieskich  wykorzystując  przy  tym  najnowszą  technologię  ludzkości  i  próbując 
sięgać dalej i głębiej. Dzisiaj moŜemy jedynie pomarzyć o podróŜach 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  równieŜ 
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  niŜ  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!) moŜna zauwaŜyć, Ŝe 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 
uniemoŜliwiają  wydostanie  się  promieniowania  z  zakresu  widzialnego  (światła)  spoza  ich 
obszarów.  Dlatego  teŜ  astronomowie  uŜywają  odbiorników  rejestrujących  promieniowanie 
podczerwone  (np.  teleskopy  GEMINI  na  Hawajach  i  w  Chile)  lub  teŜ  radioteleskopów  (np. 
amerykańska  sieć  Very  Large  Array  –  układ  27  anten  o  średnicy  25m).  Fale  z  zakresu 
podczerwieni  czy  radiowego  są  dłuŜsze  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  moŜe  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  pobliŜu.  Śmierć  jednej  gwiazdy  napędza  mechanizmy  gwiazdotwórcze 
innej  gwiazdy  a  materia  wyrzucona  podczas  wybuchu  zostaje  zuŜyta  jako  budulec  dla 
powstającej gwiazdy. 
 

Współczesna  astrofizyka  skupia  się  na  badaniu  narodzin  gwiazd  masywnych  (czyli 

takich,  które  zaczynają  Ŝycie  mając  masę  co  najmniej  8  mas  Słońca  a  kończą  jako  czarne 
dziury).  Zwykły  mechanizm  akrecji  (opadania materii),  który  zaprezentowano  powyŜej  nie jest 
w stanie wygenerować masywniejszych obiektów. Ciśnienie we wnętrzu takiej protogwiazdy nie 
pozwoliłoby  na  dokładanie  budulca.  Najnowsze  obserwacje  radiowo-podczerwone  sugerują 
nam,  Ŝe  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 równieŜ toruńscy astronomowie. Okazuje się, Ŝe 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).