Hvězdy a černé díry. Zdeněk Kadeřábek

Transkript

1 Hvězdy a černé díry Zdeněk Kadeřábek

2 Osnova Vznik a vývoj hvězd Protohvězda Hvězda hlavní posloupnosti Červený obr Vývoj Slunce Bílý trpaslík Neutronová hvězda Supernovy Pulzary Černé díry Pád do černé díry Pozorování černých děr

3 Vznik hvězd Mlhoviny (mezihvězdný oblak) - video Převážně vodík, 1-10% prach Hmotnost stovek sluncí Velikost desítky světel. let Teplota: K Zárodky hvězd Prvotní nestability Poč. impuls: výbuch supernovy, prolínání galaxií Gravitační smršťování

4 Vznik hvězd Gravitační stlačování oblaku Samovolné při nadkritické hmotnosti (Jeansovo kritérium M S ) Nižší hmotnosti Tlak horkého plynu (stlačuje oblak za vzniku chobotů ) Exploze blízké supernovy (vzrůst hustoty v oblaku) Rázová vlna video Rázová vlna spirální galaxie při rotaci ramen Ztráta tepelné energie vyzařování prachových částic Snížení rychlosti rotace asi způsobení mag. tokem částic

5

6

7 Planetární mlhovina MZ9 (Dvojčata) v Hadonoši Výtrysky mají nadzvukovou rychlost (v > 300 km/s], jde o typický příklad motýlkovité (bipolární) mlhoviny s dvěma laloky. Odhození obálky cca před lety. V centru těsná dvojhvězda. Kolem jedné hvězdy existuje plynoprachý disk patrný při krátkých expozicích, o průměru 10 AU. Jety vychází kolmo na tento disk. Vzdálenost 2100 l.y.

8 Protohvězda Nitro protohvězdy Vzrůst tlaku, hustoty a teploty Při teplotě kolem 2000 K se vypaří prachové částice Čas: desítky miliónů let Hayashiho linie Stádium, kdy je v rovnováze gravitační a tlaková síla plynu Napravo od linie existence nestabilních útvarů Na linii prudké ohřátí hvězdy a smrštění termonukleární reakce T=10 7 let hl. posl. Hnědý trpaslík ( červený ) nízká teplota, nezapálení TJ

9 Vývoj hvězd HR diagram Hertzprungův-Russelův diagram 1-2 protohvězda, smršťování volným pádem, 2 rovnováha gravitace a tlaku látky 2-3 pomalé smršťování při rovnováze 3 zapálení TJ reakcí hlavní posl. 3-4 dohoření H v jádře 4-5 smršťování jádra 5 zapálení H ve slupce kolem jádra 5-6 hoření H ve slupce, zvyšování hmotnosti He jádra 6 zapáleni He v jádře, červený, žlutý oranžový obr 6-7 rozpínání a chladnutí obalu -> únik hmoty 7 dohoření He v jádře, smršťování jádra, zapálení He v obálce,... atd. až po skupinu železa 8 -> stadia pulsací, gravitační smršťování.

10 Vývoj hvězd

11 Hvězdy na hlavní posloupnosti 85% doby svého života (řádově deset miliard let) Termonukleární fúze: H na He

12 Poloha hvězdy na HP Zářivý výkon: L ~ M 7/2 Rozměry: R ~ M 3/4 Povrchová teplota: T ~ M 1/2 Slunce: L= W/kg L celk = W.

13 Reakce v nitru pp řetězec - nižší teploty Betheův CNO cyklus - vyšší teploty

14 Obři a veleobři Hvězda Typ Souhvězdí Aldebaran červený obr Býk Betelgeuse červený veleobr Orion Rigel modrý obr Orion

15 Rudý veleobr 130 sv. let, povrch 3600 K

16 Červení obři Vysoký zářivý výkon (absolutní hvězdná velikost kolem 0 mag) Povrchová teplota: K (M6) až K (M0) Poloměr poloměrů Slunce

17

18 Slunce

19 Budoucnost Slunce

20 Slunce jako červený obr Animace

21

22

23 Závěrečné stádium hvězdy Dohoření jaderných reakcí v nitru hvězdy Vlivem gravitačních sil je hvězda stlačena Závislost na počáteční hmotnosti Bílý trpaslík Neutronová hvězda Černá díra

24 Bílý trpaslík Stlačení z několika set tisíc km do průměru tisíc km Hustota: řádově tisíce kg/cm 3 Hvězdná látka ionizovaná Gravitační síly vyváženy Fermiho tlakem degenerovaného elektronového plynu (vysoká hustota Pauliho princip: obsazení i nejvyšších energ. hladin vysoká hybnost (růst tlaku)) Po vyzáření zbylého teplo černý trpaslík

25 Planetární mlhovina NGC Po výbuchu hvězdy je v centru mlhoviny patrný bílý trpaslík

26 Neutronová hvězda Hmotnost bílého trpaslíka větší než 1,4 M S Chandrasekharova mez pro nerotující trpaslíky Vysokoenergetické elektrony vtlačovány do jader e - + p + n o + n' e Prudké smrštění vlivem gravitace (imploze) Elektrony přeměněny v neutrony, uvolnění velkého množství energie (elmag. vlny, neutrina) Vznik neutronové hvězdy doprovázen výbuchem supernovy Průměr: desítky km, max. hmotnost asi 2,5 M S Hustota: ~10 14 g/cm 3

27

28 Záblesk neutronové hvězdy- souhvězdí Sagittarius

29 Základní druhy supernov Z hlediska dynamiky vzniku a mechanismu překročení Chandrasekharovy meze Typ I: Postupná akrece hmoty na bílý trpaslík Několikanásobné soustavy hvězd Přetékání látky z obra na bílého trpaslíka výbuch Typ II: Přímý kolaps do neutronové hvězdy Hypernova: Přímý kolaps až do černé díry Hmotnost > 20 M S Záblesk záření gama Rudý veleobr Betelgeuse: 20M v souhvězdí Orionu, asi 1000 světelných let od Země; výbuch supernovy do cca 1 milionu let!

30 M1 - Krabí mlhovina Výbuch: 1054, video v centru milisekundový pulzar

31 Za několik let po explozi vytvořily rozpínající a prolínající se odhozené obálky kolem bývalé supernovy zajímavou soustavu prstenců. Animace

32 Rotující hvězdy Zákon zachování momentu hybnosti Smršťování doprovázeno zvyšující se rotací (až několik set otáček za sekundu) Pulzary Magnetické pole Normální hvězda: B řádově 10-4 T Vlivem smršťování vzrůst na hodnotu asi 10 8 T Magnetary

33 Pulzary ( magnetické majáky ) Rychle rotující kompaktní hvězdy (perioda 0,03 4 s, velké odstředivé síly), video se zvukem

34

35 Velké Magellanovo mračno dva pulzary 60 otáček za sekundu (V době vzniku (cca před 4000 lety) musela být rotace 150 otáček za sekundu.)

36 Diagram závěrečných stádií

37 Vznik černé díry Gravitační kolaps velmi hmotných hvězd (možnost bez výbuchu supernovy - zmizení hvězdy) Supermasivní černé díry střed galaxie Úniková rychlost převyšuje rychlost světla Schwarzschildův poloměr: Slunce: úniková rychlost 619,7 km/s r g = 2,95. M/M, tj. zhruba 3 km Země: r g = 0,9 cm

38 Schwarzschildova sféra Úniková rychlost rovna c (OTR) Horizont událostí (odděluje oblast uvnitř a vně) S.Hawkinga, R.Penrose, B.Carter, J.A.Wheeler (black hole), I. Novikov,

39

40 Černá díra díra v prostoročase Prostoročas silně zakřiven uzavřen sám do sebe Přerušení příčinnosti spojení s vnějším světem Absorbující absolutně černé těleso Proti světlému pozadí se jeví jako tmavý kotouč, nic ale nezastiňuje - gravitační čočka (světelné efekty) Video, Pohlcování hvězdy černou dírou

41 Gravitační čočka

42 Charakteristiky černých děr - nerotující Horizont událostí Světlo nemůže opustit gravitační pole, ale není ani černou dírou vtaženo oběh po kružnici Singularita Hmotnost soustředěna v jednom bodě o nulovém objemu Nekonečné zakřivení časoprostoru, nekonečná hustota

43 Rotující černé díry Akreční disk Disková struktura z rozptýleného materiálu obíhající kolem černé díry Statická mez Rotující černá díra strhává časoprostor v okolí a nutí ho rotovat s ní Mez, na níž je časoprostor strháván rychlostí světla Ergosféra Prostor mezi poloměrem horizontu událostí a statickou mezí

44 Rotující černé díry Částice vlétající do ergosféry mohou zónu opustit s vyšší energií Práce černé díry na úkor momentu hybnosti Kerrova singularita Singularita tvaru prstence (nulová tloušťka, nenulový poloměr)

45 Dva pohledy na gravitační kolaps Vnější pozorovatel Signály z rakety se zpožďují, červený posuv Padající pozorovatel na hranici horizontu událostí vnější pozorovatel nikdy neuvidí tento průchod Padající pozorovatel Projde Schwarzildovým poloměrem za konečnou dobu velký gradient gravitační síly - roztrhání

46 Pád do černé díry

47 Pád do černé díry

48 Pád do černé díry Při pádu částice dochází k postupnému naklánění světelného kužele Pod horizontem událostí světelný kužel míří pod horizont nelze ovlivnit budoucnost mimo horizont událostí Vnější pozorovatel neuvidí pád pod horizont, ani neuvidí vznik černé díry Kolaps zamrzne na hranici horizontu událostí

49 Pád do černé díry světelný kužel

50 Černá díra nemá vlasy B. Carter, W. Israel, I. Robinson, S. Hawking, J. Wheeler Černé díry při svém vzniku ponechají informaci pouze o své hmotnosti, momentu hybnosti a elektrickém náboji

51

52 Entropie černých děr Entropie Míra neuspořádanosti systému, šipka času Ztráta entropie porušení 2. T.Z. S. Hawking - dokázal, že plocha horizontu událostí nikdy nezmenší Plocha reprezentuje entropii černé díry

53 Hawkingovo záření (vypařování černých děr) Fluktuace vakua Neustálé vytváření a zanikání virtuálních částic (pár částice antičástice) Heisenbergova relace neurčitosti x. p h Jen jedna částice z páru pod horizontem nelze anihilovat s antičásticí Vznik reálné částice z virtuální Černá díra září a uhradí energie potřebnou ke vzniku reálné částice

54 Hawkingovo záření Spektrum Hawkingova záření shodné se spektrem absolutně černého tělesa Maximální vlnová délka = hodnotě Schwarzildova poloměru Čím větší je hmotnost černé díry, tím je vyšší její teplota Černá díra o hmotnosti 6 M S se bude vypařovat let, což je doba, která činí Hawkingovo záření absolutně neměřitelným.

55 Pozorování černých děr Akreční disky a relativistické výtrysky Disky i u bílých trpaslíků nebo neutronových hvězd Výtrysky plazmatu (délka až stovky sv. let)

56 Pozorování černých děr Silné elektromagnetické emise Nepravidelnosti v podobě záblesků neutronová hvězda, bílý trpaslík Pravidelné bez záblesků černá díra Emise rentgenového a gama záření v důsledku zahřáté látky akrečního disku ztráta gravitační potenciální energie látky Gravitační a dopplerův červený posuv Míra gravitačního posuvu vypovídá o poloze atomu, který emitoval fotonu Míra dopplerova posuvu vypovídá o směru a velikosti rychlosti

57

58 Pozorování černých děr Gravitační čočka Světlo prochází silným gravitačním polem Nemá ohnisko, největší ohyb poblíž středu čočky

61 Pozorování černých děr Pozorování těles obíhajících možnou černou díru Aplikace Keplerových zákonů (hmotnost těles) Cygnus X= 1 Kandidát na černou díru (v systému s modrým veleobrem), souhvězdí Labutě, objeven v r Nejbližší černá díra (6 000 sv. let)

62 Galaktická černá díra Pegas, 3000 sv. let Aktivní spirální galaxie, v prstenci se rodí nové hvězdy

63 Pozvolné vyhasínání rentgenového zdroje Snímky pořídila širokoúhlou kamerou sonda BeppoSAX 6,5, 12,5 a 54 hodin po gama záblesku.

64 Zdroje %20Zivot%20hvezd.pdf