1/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců

Transkript

1 1/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Stanislav Hledík U3V FPF SUO, Krnov 15. dubna 2008 Navzdory zdánlivé neměnnosti noční oblohy není život hvězd věčný. Hvězdné životy se završují v dramatických projevech občas pozorovaných i ze Země. Ani tím však hvězdy nekončí. Jejich pozůstatky jsou názornou ukázkou nekonečné rozmanitosti Přírody.

2 2/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Hvězdná rovnováha a stabilita Soupeření mezi gravitací a????. Modelová hvězda naše Slunce.

3 3/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Tlak vyrovnává snahu gravitace smrštit objekt. Zatímco gravitace je univerzální, různé objekty se liší mechanismem vzniku tlaku. Kompenzace musí být stabilní.

4 4/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Rovnováha labilní (vlevo) a stabilní (vpravo).

5 4/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Rovnováha labilní (vlevo) a stabilní (vpravo).

6 5/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců U planet vzniká tlak elektromagnetickou interakcí na úrovni elektronových obalů ( neprostupnost, princip neurčitosti).

7 6/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Život hvězd Mezihvězdný plyn a prach (ISM) Z prvopočátečních plynoprachových mlhovin se vyvíjejí nestabilitami prvotní shluky (globule), budoucí zárodky hvězd. Protohvězdy Je-li velikost mlhoviny větší než Jeansovo kritérium 2 (střední kinet. energie) < střední potenc. energie, ( ) 5kT 3/2 ( ) 3 1/2 M oblak > M Jeans =, Gµm H 4πρ 0 může se hroutit samovolně. Fragmentace: vznik hvězd ve skupinách. Počáteční impuls Exploze blízké supernovy, přechod přes spirální ramena galaxie, elektromagnetické síly nebo prolínání dvou galaxií... Typická pramlhovina d l.y., M M, n m 3, T 100 K, složení HII + prach.

8 7/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Gravitační smršťování V centru se uvolňuje tepelná energie, roste T a P. Hyashiho linie: smršťování se zastaví v rovnováze je gradient tlaku plynu s gravitací. Úloha prachu Odvod energie (září v kontinuu, odvede z globule zářením více energie než záření iontů zářící v čarách); stlačování okolním světlem (světlo okolních hvězd působí na prach v tlakem a tím přispívá ke kompresi. Zapálení termojaderné reakce v nitru T, P v nitru stoupnou natolik, že se zapálí termonukleární reakce narodí se hvězda: hvězdy rodící se ve Velké mlhovině v Orionu M42 a v Orlí mlhovině M16. Po zapálení TJ syntézy dojde k vymetení zbylé mezihvězdné látky silným hvězdným větrem. Vzniknou postupně se rozpadávající skupiny hvězd (hvězdné asociace) nebo hvězdokupy. Bizarní vlastnost hvězd záporná tepelná kapacita: (celková energie) = (střední kinetická energie) < 0.

9 8/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Zdrojem energie hvězd je jaderná energie, na Zemi zatím pouze v neřízené formě u vodíkové bomby. Chemická energie ( klasické hoření) ani energie gravitačního smršťování nestačí hvězdu pohánět po celou dobu jejího produktivního života let.

10 9/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Hertzsprungův Russelův (HR) diagram. Vodorovná osa: spektrální třída (teplota). Svislá osa: svítivost (luminozita) energie vyzářená za 1 s (v jednotkách luminozity Slunce L : L /c 2 4 milióny tun/s, na úrovni zemské orbity 1360 W/m 2 ).

11 10/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Podpůrný mechanismus bránící gravitačnímu smršťování P celk }{{} celk. tlak = ρkt + 1 µm }{{ H 3 at 4 }}{{} tlak plynu tlak záření Slunce: tlak plynu dominuje (záření jen asi 0.06 %), avšak v určitých situacích může dominovat! Zdroje energie hvězd hlavní posloupnosti Termojaderné reakce: syntéza H He: pp-řetězec a CNO-cyklus. Základní globální parametry hvězd Hmotnost, poloměr, hustota, profily hustoty, tlaku a teploty. Stelární modely soustavy rovnic řešené numericky na počítačích.

12 11/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Typická hvězda hlavní posloupnosti slunečního typu.

13 12/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců PP-řetězec, dominantní TJ reakce na Slunci.

14 13/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Teplotní profil Slunce.

15 14/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Hustotní profil Slunce.

16 15/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Profil svítivosti Slunce.

17 16/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Vývoj po opuštění hlavní posloupnosti Vyhoření vodíku Zásoby H v jádru hvězdy se dříve nebo později vyčerpají. Co se děje potom? Pulsace Pokles teploty, tím i střední kinetické energie, v důsledku toho vzrůst celkové energie (záporná tepelná kapacita!). Jádro se gravitačně hroutí, obálky hvězdy se rozpínají. Obři a veleobři Hvězda přechází na HR diagramu do oblasti obrů a veleobrů. Syntéza těžších prvků Po hroucení jádra hvězdy: vzrůst teploty, nástup dalších TJ reakcí spalujících He na těžší prvky. Tyto reakce velmi silně teplotně závislé: ε pp T6 4, ε CNO T6 19.9, ε 3α T6 41. Mohou se vytvářet prvky až po železo (Fe). Proč?

18 16/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Vývoj po opuštění hlavní posloupnosti Vyhoření vodíku Zásoby H v jádru hvězdy se dříve nebo později vyčerpají. Co se děje potom? Pulsace Pokles teploty, tím i střední kinetické energie, v důsledku toho vzrůst celkové energie (záporná tepelná kapacita!). Jádro se gravitačně hroutí, obálky hvězdy se rozpínají. Obři a veleobři Hvězda přechází na HR diagramu do oblasti obrů a veleobrů. Syntéza těžších prvků Po hroucení jádra hvězdy: vzrůst teploty, nástup dalších TJ reakcí spalujících He na těžší prvky. Tyto reakce velmi silně teplotně závislé: ε pp T6 4, ε CNO T6 19.9, ε 3α T6 41. Mohou se vytvářet prvky až po železo (Fe). Proč? Stabilita prvků klesá od Fe směrem k těžším. Nejhojnější prvky: 1 1 H, He, 8 O, C, 10Ne, N, 26 Fe.

19 17/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Interakce mezi dvěma protony.

20 18/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Závislost vazebné energie na atomovém čísle.

21 19/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Evoluční stopy hvězd po opuštění hlavní posloupnosti. Min. hmotnost: dána schopností udržet TJ syntézu, Max. hmotnost: fragmentací ve fázi formování protohvězdy.

22 20/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Průřez 5 M rudým obrem s heliovým jádrem a H-spalující slupkou po: let na MS, let kontrakce, let vytváření H spalující slupky.

23 21/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Průřez toutéž 5 M hvězdou po několika miliónech let a dalších pulsacích. Škála slupek a jádra je pro přehlednost zvětšena 100.

24 22/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Nitro masivní 8 M hvězdy se vyvine v cibulovitou strukturu.

25 23/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Co nastane po vyhasnutí TJ syntézy? Zásoby prvků poskytujících endotermické TJ reakce v jádru hvězdy se také vyčerpají. Co se děje potom? Hvězda se gravitačně hroutí: chybí podpůrný mechanismus tlak a její osu záleží na její hmotnosti.

26 23/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Co nastane po vyhasnutí TJ syntézy? Zásoby prvků poskytujících endotermické TJ reakce v jádru hvězdy se také vyčerpají. Co se děje potom? Hvězda se gravitačně hroutí: chybí podpůrný mechanismus tlak a její osu záleží na její hmotnosti. Každá hvězda skončí v jedné z následujících stabilních konfigurací: Bílý trpaslík Neutronová hvězda Černá díra U prvních dvou existuje zvláštní mechanismus schopný vzdorovat gravitaci degenerace elektronů resp. neutronů. Černé díry jsou nejexotičtějšími objekty ve vesmíru jde o esenci samotné gravitace. Přechody do těchto finálních stadií mohou být velmi spektakulární.

27 24/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Elektronová degenerace.

28 25/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Kompaktní objekty Průřez typickou neutronovou hvězdou o hmotnosti 1.4 M.

29 26/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Základní model pulsaru.

30 27/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Světelný cylindr okolo rotující neutronové hvězdy. Bod na jeho poloměru R c korotující s NH by se pohyboval rychlostí světla.

31 28/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Rentgenová dvojhvězda SS 433. Osa kužele tvořeného precedujícími výtrysky (jety) svírá se směrem pohledu úhel 79.

32 29/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Akreční disk okolo černé díry plyn přetékající z binárního partnera vytváří disk emitující X-záření.

33 30/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Struktura akrečního disku aktivního galaktického jádra (AGN).

34 31/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Kolimace hmoty vyvrhované tlustým horkým akrečním diskem. Uzavřené smyčky představují linie konstantní hustoty disku.

35 32/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Černé díry Názorná představa zakřiveného prostoru v okolí hmotného objektu pomocí pružné gumové membrány.

36 33/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Struktura rotující (Kerrovy) černé díry.

37 34/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Časoprostorový diagram znázorňující Hawkingovo vypařování černých děr.

38 35/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Ohyb světla měřený při slunečním zatmění.

39 36/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Srovnání trajektorií dvou fotonů cestujících zakřiveným prostoročasem mezi body A a B.

40 37/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Trajektorie fotonu v blízkosti Slunce (silně přehnáno).

41 38/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Ilustrace slapových sil v blízkosti černé díry.

42 38/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Další čtení: [1]

43 38/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Další čtení: [1] Děkuji za pozornost.

44 38/38 Bouřlivý život hvězdných vysloužilců Reference [1] Carroll, B. W. & Ostlie, D. A.: An Introduction to Modern Astrophysics. Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1996, ISBN [2] Katedra fyziky, Fakulta elektrotechnická, ČVUT Praha: Aldebaran homepage, 2008+, a odkazy tam uvedené, URL [3] Silesian University in Opava: Relativistic and particle physics and its astrophysical aplications, , Czech research project MSN , and links cited therein, URL http: //