Wyjaśnimy jak mogły powstać gwiazdy i planety, skąd pochodzi ogromna energia wysyłana przez
gwiazdy i co się dzieje z gwiazdą, gdy jej źródło energii wyczerpuje się. Zajmiemy się także budową i
prawami rządzącymi Wszechświatem.
20.1. Pojęcia wstępne
Układ słoneczny do którego należy Ziemia jest mikroskopijną cząstką Układu Drogi Mlecznej, która z
kolei jest nieporównywalnie mniejszą częścią Wszechświata.
Tabela 20.1. Podstawowe parametry Galaktyki
Nazwa wielkości
Wartość
Średnica
9.2
×
10
20
m
Grubość średnia
6.2
×
10
16
m
Średnica jądra Galaktyki
1.55
×
10
17
m
Masa Galaktyki
2.2
×
10
41
kg
Masa Słońca
2
×
10
30
kg
Prędkość Słońca w ruchu obrotowym Galaktyki
250 km/s
Promień orbity Słońca
3
×
10
20
m
Okres obrotu Słońca
7
×
10
15
s = 2.2
×
10
8
lat
Liczba gwiazd w Galaktyce
10
11
Galaktyka ma kształt dysku o średnicy około 10
21
m i grubości w części środkowej około 6
×
10
19
m. Jej
grubość maleje wzdłuż promienia. Centralną część Galaktyki otacza halo galaktyczne, które jest
pyłowo-gazowym obłokiem skupiającym około 2% całej masy Galaktyki.
Wszechświat jest wypełniony galaktykami i gromadami galaktyk znajdujących się w ciągłym ruchu
obrotowym i postępowym. Czas istnienia Wszechświata jest oceniany na około 15 miliardów lat. W
1990 r. wysłano w przestrzeń kosmiczną teleskop im. E. Hubble’a (zasięg obserwacji wzrósł blisko
dziesięciokrotnie).
Tabela 20.1. Podstawowe parametry Wszechświata
Nazwa wielkości Wartość
Średnica
3
×
10
26
m
Objętość
1.5
×
10
79
m
3
Masa (10
79
nukleonów)
1.6
×
10
52
kg
Średnia gęstość
2
×
10
28
kg/m
3
Liczba galaktyk we Wszechświecie 10
12
Średnia masa galaktyki
1.6
×
10
41
kg
Średnia liczba gwiazd w galaktyce
Czas istnienia Wszechświata
1.5
×
10
10
lat
Wszechświat cechuje się niestabilnością; może się rozszerzać lub skupiać. Obecnie znajduje się w
stanie ekspansji. Fakty eksperymentalne świadczą, że Wszechświat rozszerza się z prędkościami
proporcjonalnymi do wzajemnej odległości galaktyk i ich gromad. Takie zachowanie sugeruje, że we
wczesnych stadiach rozwoju Świata materia była skupiona w małej objętości, a proces jej
rozszerzania nastąpił w wyniku eksplozji. Eksplozja taka nosi nazwę
Wielkiego Wybuchu
(ang. Big
Bang) i wszystkie dalsze etapy rozwoju Wszechświata odnosimy do tego hipotetycznego początku.
10
10
20.2. Gwiazdy
Większość teorii kosmologicznych przyjmuje, że głównym składnikiem gwiazd jest wodór. Tworzenie
się gwiazd rozpoczyna się od powstania chmury wodoru, która zaczyna kurczyć się pod wpływem
przyciągania grawitacyjnego. W miarę jak atomy wodoru zbliżają się do siebie, rośnie ich energia
kinetyczna, czyli temperatura gazu. Z kolei nagrzana masa gazu osiąga ciśnienie, które hamuje
dalsze zapadanie grawitacyjne chmury. Jednak, gdy energia zmniejszy się na skutek promieniowania
elektromagnetycznego, to zapadanie grawitacyjne postępuje nadal aż do momentu pojawienia się
nowego źródła energii temu przeciwdziałającemu, jakim są reakcje termojądrowe zachodzące w
temperaturze co najmniej około 10
7
K.
Jeżeli masa początkowa jest mała, to zapadanie postępuje aż do chwili, kiedy atomy zaczynają stykać
się ze sobą. Wtedy powstaje planeta, tak jak w przypadku Ziemi.
Jeżeli masa początkowa jest większa, to wtedy ciśnienia i gęstości są dostatecznie duże, aby
powodować nakładanie się funkcji falowych w wyniku czego powstaje plazma. Przykładem obiektu
należącego do tej kategorii jest planeta Jowisz.
Można wykazać, że jeśli masa początkowa jest większa niż 0.08 masy Słońca, to osiągana
temperatura jest dostatecznie wysoka aby wywołać reakcje termojądrowe typu
1
1
p
+
1
1
p
→
2
1
D
+
0
1
e
+
+
ν
1
1
p
+
He
2
1
D
→
3
2
+
γ
3
2
He
+
3
2
He
→
4
2
He
+
1
1
p
+
1
1
p
p
γ
p
e
+
3
He
ν
p
D
p
He
p
D
3
He
p
p
e
+
ν
γ
p
Rys. 20.1. Schemat cyklu wodorowego Sześć protonów jest użytych do wytworzenia
He
4
2
,
dwóch protonów, dwóch pozytonów, dwóch neutrin i dwóch kwantów
γ
.
4
Ten ciąg reakcji termojądrowych nazywany jest
cyklem wodorowym
powodującym produkcję energii
Słońca i innych gwiazd bogatych w wodór. W wyniku tego cyklu 6 protonów jest zużyte do emisji
cząstki
α
, dwóch pozytonów, 2 neutrin i 2 fotonów o całkowitej energii kinetyczne około 26 MeV.
Gwiazdy o masie większej od Słońca mają wyższą temperaturę i szybciej spalają zawarty w nich
wodór. Gdy zapas wodoru wyczerpie się, to gwiazda promieniuje nadal i zaczyna się zapadać.
Zapadanie i ogrzewanie gwiazdy trwa tak długo, aż temperatura osiągnie wartość kreującą reakcje
termojądrowe dla helu (przemiana w węgiel, tlen i neon). W wyniku tych procesów większość
materiału we wnętrzu gwiazdy zamienia się w żelazo
56
Fe, który jest izotopem najbardziej stabilnym
wśród wszystkich jąder.
Jeżeli przyjmiemy, że nie występują inne siły odpychania lub ciśnienia, to gwiazda będzie się wciąż
zapadać. Istnieje jednak pewien graniczny promień
R
0
, zwany promieniem Schwartzschilda, poniżej
którego nie możemy już zobaczyć gwiazdy. Sytuacja taka jest pokazana na rys. 20.2c, gdzie
wszystkie fotony spadają z powrotem na powierzchnię gwiazdy.
20.3. Czarne dziury
Oceniając grawitacyjną energię potencjalną fotonu wysyłanego z powierzchni gwiazdy,
U = – GMm/R
(
M
jest masą gwiazdy a
m =
ε
/c
2
jest masą grawitacyjną fotonu o energii
ε
), możemy wyznaczyć
R
0
.
Jeżeli więc
ε
< GMm/R
, to foton nie może oddalić się od gwiazdy. Warunek graniczny dla
R
ma
postać
ε
=
GMm
=
GM
⎝
ε
⎠
co prowadzi do związku
R
=
GM
0
R
R
c
2
c
2
0
0
⎛
⎞