Život na hlavní sekvenci: Jak se vyvíjejí hvězdy

Hvězdy jsou některé ze základních stavebních kamenů vesmíru. Nielenže vytvářejí galaxie, ale mnoho také obsahuje planetární systémy. Pochopení jejich formace a vývoje dává důležité vodítko pro pochopení galaxií a planet.

Slunce nám dává prvotřídní příklad ke studiu, právě tady v naší vlastní sluneční soustavě. Je to jen osm světelných minut, takže nemusíme dlouho čekat, až uvidíme vlastnosti na jeho povrchu. Astronomové mají řadu satelitů studujících Slunce a už dlouho vědí o základech svého života. Jednak je to středního věku a přímo uprostřed období jeho života se nazývá „hlavní posloupnost“. Během této doby v jádru roztaví vodík, aby vytvořil helium.

V celé své historii vypadalo Slunce skoro stejně. Pro nás to byl vždy ten zářící, nažloutlý bílý předmět na obloze. Nezdá se, že by se to změnilo, alespoň pro nás. Je to proto, že žije ve velmi odlišném časovém rámci, než lidé. Mění se však, ale ve srovnání s rychlostí, ve které žijeme naše krátké a rychlé životy, se mění velmi pomalu. Podíváme-li se na život hvězdy na stupnici vesmíru (asi 13,7 miliard let), pak Slunce a další hvězdy žijí docela normálně. To znamená, že se rodí, žijí, vyvíjejí a poté zemřou desítky milionů nebo miliardy let.

Abychom pochopili, jak se hvězdy vyvíjejí, musí astronomové vědět, jaké typy hvězd existují a proč se od sebe liší důležitými způsoby. Jedním z kroků je „třídit“ hvězdy do různých nádob, stejně jako lidé mohou třídit mince nebo kuličky. Říká se tomu „hvězdná klasifikace“ a hraje obrovskou roli v pochopení toho, jak hvězdy fungují.

Astronomové třídí hvězdy do řady „popelnic“ pomocí těchto charakteristik: teplota, hmotnost, chemické složení atd. Na základě teploty, jasu (svítivosti), hmotnosti a chemie je Slunce klasifikováno jako středního věku hvězda to se v období svého života nazývá „hlavní posloupnost“.

Prakticky všechny hvězdy tráví většinu svého života v této hlavní sekvenci, dokud nezemřou; někdy jemně, někdy násilně.

Základní definice toho, co dělá hvězdu s hlavní sekvencí, je tato: je to hvězda, která ve svém jádru spojuje vodík s heliem. Vodík je základním stavebním kamenem hvězd. Poté jej použijí k vytvoření dalších prvků.

Když se vytvoří hvězda, tak se to stane, protože se oblak plynného vodíku začne stahovat (táhnout k sobě) pod gravitační silou. Tím se vytvoří hustá, horká protostar ve středu cloudu. To se stává jádrem hvězdy.

Hustota v jádru dosahuje bodu, kdy je teplota alespoň 8 až 10 milionů stupňů Celsia. Vnější vrstvy protostar se tlačí na jádro. Tato kombinace teploty a tlaku zahajuje proces nazývaný jaderná fúze. To je bod, kdy se zrodí hvězda. Hvězda se stabilizuje a dosáhne stavu zvaného „hydrostatická rovnováha“, což je okamžik vnějšího záření tlak z jádra je vyvážen obrovskými gravitačními silami hvězdy, která se snaží zhroutit sám. Když jsou všechny tyto podmínky splněny, hvězda je „v hlavní posloupnosti“ a jde o její život, který ve svém jádru pilně vyrábí vodík do helia.

Hmota hraje důležitou roli při určování fyzických charakteristik dané hvězdy. Poskytuje také vodítko, jak dlouho bude hvězda žít a jak zemře. Čím větší je hmotnost hvězdy, tím větší gravitační tlak se snaží hvězdu zhroutit. Aby bojoval proti tomuto většímu tlaku, potřebuje hvězda vysokou míru fúze. Čím větší je hmotnost hvězdy, tím větší je tlak v jádru, čím vyšší je teplota, a tím vyšší rychlost fúze. To určuje, jak rychle hvězda spotřebuje své palivo.

Masivní hvězda rychleji spojí své zásoby vodíku. Tím se odstraní hlavní sekvence rychleji než hvězda s nižší hmotností, která používá palivo pomaleji.

Když docházejí hvězdy z vodíku, začnou ve svých jádrech tavit hélium. To je, když opustí hlavní sekvenci. Hvězdy s vysokou hmotností se stávají červené supergianty, a poté se vyvinou modré supergianty. Taví hélium do uhlíku a kyslíku. Poté je začne spojovat do neonů a tak dále. Hvězda se v podstatě stává továrnou na chemickou tvorbu, přičemž k fúzi dochází nejen v jádru, ale ve vrstvách obklopujících jádro.

Nakonec se velmi vysoká hmota snaží roztavit železo. To je polibek smrti té hvězdy. Proč? Protože tavení železa vyžaduje více energie, než má k dispozici hvězda. Zastaví fúzní továrnu mrtvou v jejích stopách. Když k tomu dojde, vnější vrstvy hvězdy se zhroutí na jádro. Stává se to docela rychle. Vnější okraje jádra padají nejprve při úžasné rychlosti asi 70 000 metrů za sekundu. Když to zasáhne železné jádro, vše se začne odrazit zpět a tím se vytvoří rázová vlna, která vytrhne hvězdou za pár hodin. V průběhu procesu se vytvářejí nové, těžší prvky, když přední část nárazu prochází materiálem hvězdy.
Tomu se říká supernova „core-collapse“. Nakonec vnější vrstvy vystřelily do vesmíru a zbylo je zhroucené jádro, které se stává a neutronová hvězda nebo Černá díra.

Hvězdy s hmotností mezi polovinou solární hmoty (tj. Polovina hmoty Slunce) a asi osmi solárními hmotami vtaví vodík do helia, dokud se palivo nespotřebuje. V tu chvíli se z hvězdy stane červený obr. Hvězda začíná fúzovat hélium na uhlík a vnější vrstvy se rozšiřují, aby proměňovaly hvězdu v pulzující žlutý gigant.

Když je většina hélia roztavena, stává se hvězda opět červeným obrem, ještě větším než dříve. Vnější vrstvy hvězdy se rozpínají do vesmíru a vytvářejí a planetární mlhovina. Jádro uhlíku a kyslíku zůstane pozadu ve formě a bílý trpaslík.

Hvězdy menší než 0,5 sluneční hmoty budou také tvořit bílé trpaslíky, ale nebudou schopny fúzovat helium kvůli nedostatku tlaku v jádru z jejich malé velikosti. Proto jsou tyto hvězdy známé jako trpaslíci bílé hélium. Stejně jako neutronové hvězdy, černé díry a supergianti, tito už nepatří do hlavní sekvence.