Sunce – njegovo stvaranje, život i smrt

Ona se rađaju, formiraju se, prolaze kroz burnu mladost, i zatim žive u predviđenoj šabloni. Možda imaju i pratioca uz sebe. I onda jednog dana odjednom oslabe i umiru. Zvijezde su tako, na mnogo načina slične ljudima.

I naše Sunce, iako nam se čini trajnim i konstantnim, nije nikakav izuzetak. Nekada su ljudi smatrali Sunce drugačijom vrstom objekta no što su zvijezde. Vladalo je danima, dok su zvijezde vladale noćima. Ali unazad par stoljeća, astronomi su došli do spoznaje da je Sunce samo još jedno od srednje-starih članova porodice zvijezda. Iz tog ugla, Sunce bi izgledalo kao samo još jedna zvijezda – točka svijetlosti. I kao svako druga zvijezda, Sunce je smrtno.

Spoznaja da je Sunce zvijezda, dalo je jako veliki zamah astronomiji. Proučavajući Sunce, najbližu zvijezdu, naučnici su naučili sve o zvijezdama. Obrnutim postupkom, dakle proučavanjem zvijezda u svim njihovim raznolikostima, znanstvenici su naučili o prošlosti i budućnosti Sunca. A to im je pak reklo o prošlosti i budućnosti života na Zemlji. Na koncu, Sunce je temeljni izvor našeg hranidbenog lanca. Kada je Sunce počelo postojati, ono je omogućilo svijetlost i toplinu potrebnu da Zemlja postane pristupačno mjesto. Kada Sunce ugasne, naš planet neće više biti gostoljubiv za život.

Unatoč napretku astronomije tokom zadnjih par stoljeća, naše znanje o zvijezdama nije potpuno. Nedavni napredci u astronomiji, od instrumenata sposobnih za promatranje 100 zvijezda odjednom, do Keckovog teleskopa s njegovim divovskim zrcalom od 10 metara (u usporedbi sa 2.4 metarskim od svemirskog teleskopa Hubble), su udružili snage sa snažnim računalima kako bi nam omogućili da saznamo kako su zvijezde rođene, kako evoluiraju i kako umiru.

Važnost Sunca Zemlji je jedan od glavnih razloga koje znanstvenici pokušavaju razumjeti. Inače, glavni impuls za nauku Sunčevog sustava došao je početkom prošlog stoljeća, ali ne od astronoma nego od geologa. Tada su naime, upotrjebom radioaktivnog izotopa, geolozi ustanovili da su najstarije stijene na Zemlji stare oko 4 milijarde godina. Nešto kasnije, ista starost je ustanovljena na stijenama koje su donesene sa Mjeseca, te na poznatom meteoritu s Marsa i to nam pokazuje da se radi očito o starosti koja je slična kod svih planeta u Sunčevom sustavu. Uz pretpostavku da su se Zemlja i drugi planeti formirali u otprilike isto vrijeme kada i Sunce, starost tih stijena nam govori da se je Sunce formiralo prije 4.5 i 5 milijardi godina. Krajnja izračunata starost je svakako došla kao iznenađenje mnogim znanstvenicima. Astronomi već znaju osnovne činjenice o Suncu. Ono je jednostavno velika kugla plina, napravljena uglavnom od Vodika, koju na okupu održava njegova snažna gravitacija, a predaje svjetlost zbog postojanja neke izvorne energije u njemu.  Astronomi su mislili da je izvor ove energije sporo ali nepokolebljivo sažimanje Sunca pod silom gravitacije. No takva vrst energije bi održavala Sunce živim samo 20 milijuna godina. Druge vrste energije, npr. divovska vatra bi sagorjeli čak i brže.

Ovo neslaganje u starosti je primjer kako prepreka u naučnom razumijevanju često uključuje uvid iz različitih polja izučavanja. U godinama nakon Prvog svjetskog rata Britanski astronom Arthur Eddington je sastavio zajedno tri ideje i hrabro je predložio novu vrstu izvora energije za Sunce.

Prvo, astronomi su znali da Sunce mora biti jako vruće i gusto u centru ako želi poduprijeti svoju vlastitu težinu. Plin na visokim temperaturama napreže visok pritisak, a to drži vanjske slojeve Sunca.

Drugo, fizičari su nedavno usporedili težinu četiri atoma vodika sa jednim atomom helija. Četiri atoma vodika i jedan atom helija su u suštini sastavljeni od istog broja subatomskih čestica. Pa ipak, helij je manje težak.

Treće, nova teorija relativiteta Alberta Einsteina pokazala je da se materiju može pretvoriti u energiju (E=mc2).

U početku, ove tri ideje mogu djelovati potpuno nepovezano. Ali iz njih Eddington je zaključio da je izvor energije Sunca proces nepoznat na Zemlji: fuzija vodika u helij.

Riječ “nuklearno” je dobila loš ugled. Normalno, ljudi to odmah povezuju sa masovnim uništenjem. No u sretnijim okolnostima, upravo su nuklearni procesi odgovorni za održavanje života na Zemlji. Duboko u vrućoj i gustoj jezgri Sunca, vodikovi atomi su gusto zbijeni, tj. sjedinjeni u helijeve atome – nešto kao da izdrobite par lopti za baseball i dobijete loptu za nogomet. Helijev atom ima manju masu no vodikovih atoma od kojih je napravljen, a ta nedostajuća masa se pretvara u energiju.

Malo drugih zamisli može stvoriti toliko energije kao što ju stvara nuklearna fuzija. Mala količina vodika može stvoriti nesagledivu količinu energije – stoga su nuklearne bombe toliko jake, i zbog toga Sunce može sijati milijardama godina.

Povijest porodice

Kako je Sunce postalo vruče i gusto da uopće nastane ? Ovo je tajna zvjezdanog rođenja. Iako nismo bili u blizini kada se je rodilo naše Sunce, mi možemo pročitati njegovu prošlost proučavajući zvijezde. Možemo pogledati u svemir i vidjeti zvijezde koje se upravo sada rađaju.

Najbliži primjerak je u sazviježđu Oriona koji se vidi na sjevernoj hemisferi tokom zime. Tisućama godina, oblik je podsjećao ljude na osobu sa jednom uzvišenom rukom koja nosi pojas. Ako pogledate ispod pojasa, ugledat čete četiri svijetle plave zvijezde zvane Trapezium. Ako pogledate sa dalekozorom, pojavljuje se mutan obris zvan Orionova maglica. Ove zvjezdane jasle su nezamislivo velike, a grudast oblak hladnog plina i prašine se pretvara u stotine novih zvijezda. Plin je uglavnom sačinjen od vodika; prašina je pak slična prašini u pješčanoj oluji, uglavnom mikroskopske stijene. Unutar oblaka se nalaze stotine kondenziranih, hladnih grudastih oblika plina i prašine. Metež izazvan primjerice udarnim valom zvjezdane eksplozije, može izazvati svaku od tih gruda da počinju kolapsirati pod vlastitom težinom.

Možemo vidjeti mnogo primjera takvih regija gdje se formiraju zvijezde. Čini se da se zvijezde, poput ljudi, rađaju u obiteljima. Za zvijezde, te velike obitelji se nazivaju zvjezdanim skupovima, i znamo za 1500 takvih zvjezdanih skupova. Astronomi pretpostavljaju da se je Sunce također formiralo u obitelji, ali kao što je tipično za skupove, Sunce se je odvojilo u prvih 100 milijuna godina. Oko dvije trećine zvijezda se rađaju u bliskom paru ili čak po tri zvijezde, no Sunce je usamljeno.

Astronomi nisu potpuno složeni oko pitanja od kuda dolaze ti oblaci, ali očito je da plin i prašina imaju više od jednog izvora. Postoji “stari” vodikov plin koji je povezan sa stvaranjem Svemira. Postoje plin i prašina koje je naša galaksija ukrala od njenih susjednih galaksija, poput “Mageljanove struje”, struje plina otrgnute od Velikog Mageljanovog Oblaka. I postoje plin i prašina iz prijašnjih generacija zvijezda. Kada zvijezde umru, one otpuhnu velik dio materijala u svemir, gdje se pak on može formirati u nove zvijezde. Zvijezda u galaksiji su savršeni strojevi za reciklažu: Koriste plin i prašinu svaki puta iz početka.

Kada su se masivne grude hladnog plina i prašine urušile, nuklearne sile su započele svoj dio posla. Težina svog tog plina i prašine je stvorila veliki pritisak i gustoću u centru, a trenje padajućih čestica je oslobodilo vrućinu. Kada je temperatura u jezgri dosegnula par milijuna stupnjeva, vodikovi atomi su započeli fuziju, stvarajući atome helija. To je oslobodilo energiju pa se je povećao pritisak i još više atoma se je povezalo, i tako ponovo. Nastala je lančana reakcija koja će potrajati milijardama godina.

Vanjski pritisak stvoren ovom nuklearnom fuzijom je bio protuteža unutarnjem pritisku gravitacije i kada se ove dvije veličine ponište, prvobitna gruda prašine i plina se prestane urušavati. Astronomi misle da je ovaj proces trajao oko 100 milijuna godina. I sunce je bilo rođeno.

Iako je prvobitno Sunce usisalo većinu plina i prašine iz prvobitne grude, neki dijelovi su ipak ostali. Kako se je taj dodatni materijal vrtio oko centra, centrifugalna sila ga je spriječila da padne na centar. Umjesto toga, on se je spljoštio u kovitlani disk. Astronomi su vidjeli mnogo takvih diskova oko novo rođenih zvijezda. Unutar tih diskova, znanstvenici smatraju, da se mrlje materijala nagomilavaju zajedno u mala tijela koja zovemo planeti, asteroidi i komete.

Prava vrsta

Ovisno o veličini prvobitne nakupine plina i prašine, proces zvjezdanog rođenja može stvoriti različite vrste zvijezda. Mala nakupina nikada ne razvije dovoljno pritiska i temperature da započne nuklearnu fuziju. Ona je ukleta da mora ostati tamna, nesretna zvijezda poznatija kao smeđi patuljak. Velika nakupina postaje velika zvijezda, tako vruća i svijetla da izgori u svega par desetaka milijuna godina. Srednje velika nakupina, ne pre mala i ne pre velika, postaje osrednja zvijezda, kao što je naše Sunce. Ovo je svakako dobro: Da je Sunce mnogo manje, Zemlja bi bila mračan i mrtav svijet, a da je Sunce veće, Zemlja bi bila spržena.

U svojim ranim godinama Sunce je prošlo kroz svoju burnu mladost, pušući jake vjetrove koji su očistili Sunčev sustav od plinova koji se nisu formirali u planete. Nakon toga se je Sunce smirilo. Iz proučavanja stijena, fosila i Antarktičkog leda, znanstvenici misle da je sunce tokom vremena malo posvijetlilo.

Koliko će dugo sijati ? Da bi došli do tog podatka, astronomi promatraju skupove zvijezda, poput primjerice onog po imenu Messier 67, koji je star otprilike kao i naše Sunce. Simulirajući životne cikluse tih zvijezda na kompjuteru, astronomi su proračunali koliko dugo zvijezde žive. Oni predviđaju da će naše Sunce pretvarati vodik u helij tokom sljedećih 5 milijardi godina. Kada bi Sunce bilo auto, rezervoar bi bio napola pun.

Što će se desiti kada Sunce ostane bez goriva (vodika) ? Srećom, Sunce će imati još rezervi vodika u vanjskim slojevima koji okružuju jezgru. Jezgra će zagrijati ovu ljusku vodika. Kada se ljuska dovoljno zagrije da započne fuziju vodika u helij, oslobođenje energije će se odvijati tamo. Nešto kao da smo izvukli par litara iz dodatnog spremnika u autu.

No taj trik ima cijenu. Izvor energije više neće biti gusta masivna jezgra, nego ljuska bliže površini a to će napraviti veliku razliku u strukturi Sunca. Sunce će se tako napuhavati dok mu se promjer ne poveća 30 puta. Tako će postati crveni div, sličan zvijezdi Arktur, iako mnogo manji od superdiva kao što je Betelgeuse. Crveni div je crven zato što je njegova vanjska temperatura spuštena između 5000 i 1500 stupnjeva celzijusa (za zvijezdu crveno znači hladno). Ova faza crvenog diva će trajati oko 2 milijuna godina.

Vremenska bomba u sredini

Pretpostavlja se da Sunce neće progutati Zemlju kada bude u fazi crvenog diva. No to je malo olakšanje. Napuštanjem normalne fuzije u jezgri, naše Sunce se neće previše brinuti o svojim planetima. Izbacivati će tisuću puta više energije, pretvarajući Zemlju u pakao. Solarni vjetar (struja čestica koja nam sada daje zabavne stvari poput aurore) će postati ciklon koji će onemogućiti radio komunikacije i vjerojatno ogoliti i ispariti atmosferu. Ako pogledamo svjetliju stranu, Sunce kao crveni div bi moglo otopiti vodom bogate ali sada smrznute satelite Jupitera i Saturna. Ljudi ako će još postojati bi se mogli tamo preseliti.

U međuvremenu, što se događa sa helijem proizvedenim u ljusci ? Polako pada prema mrtvoj ali još uvijek vrućoj jezgri Sunca, stvarajući jezgru još masivnijom i zbijenom. Ovo još povećava temperaturu jezgre, dok se odjednom helij u jezgri ne upali i počne sagorijevati u ugljik. Ako se vratimo na naš auto, ovo je kao da sagorijevamo plinove iz auspuha. Kraj se polako približava. Sada pak Sunce mora reorganizirati svoju unutarnju strukturu, obzirom da je izvor energije opet jezgra. Sunce će se skupiti natrag na veličinu nešto veću od originalnog promjera i predavati će 10 puta više energije no što sada daje. Ova faza traje samo sljedećih 500 milijuna godina, pošto ima mnogo manje jezgra helija. Trebalo je četiri jezgre vodika za jednu jezgru helija, a sada trebaju tri jezgre helija za jednu jezgru ugljika i proizvodnja energije je mnogo manje efikasna.

Kako Sunce istroši helij u jezgri, ono se neizbježno okreće rezervama u vanjskim slojevima. Tako se Sunce ponovo širi. Ovoga puta toliko raste da je se vanjski rub jedva gravitacijski održava sa jezgrom. Sunce se jedva drži na okupu i zadnja faza crvenog diva se može održati samo 100 milijuna godina.

Od ovog trenutka stvari će se početi odvajati. Sunčevi vanjski slojevi, oslobođeni gravitacijskog zahvata jezgre će odlebdjeti. U periodu od 10,000 godina, ovi slojevi će se proširiti svemirom kao enormna kugla plina, osvijetljena sada golom jezgrom. Ovi slojevi stvaraju planetarnu maglicu, koja se tako naziva jer u manjim teleskopima oblak plina izgleda kao disk planeta. Vruća zvijezda je sada “bijeli patuljak”, zvjezdana žeravica. Kao bijeli patuljak, (bivše Sunce) će tako sijati jako dugo.

No, neće biti dramatične eksplozije da zabavi naše udaljeno potomstvo: Sunce bi trebalo nastati sa barem osam puta većom masom, da završi u spektakularnoj eksploziji supernove. Sunce, umjereno u životu ima poluglasnu smrt. Nakon što nestane planetarna maglica, neće biti nikakve fuzije, samo nakupina vrućeg ugljika i neke sretne uspomene. Sunce će tada biti potpuno mrtvo.

Kugla plina se nosi svemirom i eventualno se sakupi u novi oblak i postane sljedeća generacija formiranja zvijezda. Možda će jednog dana i pepeo našeg Sunca dati svoj udio u rođenju nove zvijezde, živjeti, umrijeti i možda održavati život na drugim malim toplim planetima.

Autor teksta:
Beth Hufnagel
Michigan State University

Preuzeto sa: http://www.astro.hr/ucionica/10-sunce/

Odgovori

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena. Nužna polja su označena s *