Protogwiazda: jak wygląda jej ewolucja? Ciekawostki o protogwiazdach

W tym artykule:

1. Protogwiazda: jak wygląda jej ewolucja?
2. Ciekawostki o protogwiazdach: protogwiazdy można obserwować tylko w długich falach elektromagnetycznych
3. Ciekawostki o protogwiazdach: promieniowanie UV może ograniczać ilość nowych gwiazd
4. Ciekawostki o protogwiazdach: młode dyski protoplanetarne są bardziej masywne od starszych

Protogwiazda jest wczesnym etapem formowania się gwiazdy – obiektem zbierającym masę z obłoku pyłowo-gazowego i zapadającym się pod wpływem działania grawitacji i procesu zagęszczania materii. Protogwiazdy wytwarzają promieniowanie podczerwone i mikrofale, ale nie emitują światła widzialnego, ani nie zachodzą w nich reakcje termojądrowe. Te zjawiska rozpoczną się dopiero w momencie, w którym protogwiazda stanie się pełnoprawną gwiazdą.

Protogwiazda: jak wygląda jej ewolucja?

Protogwiazda, której masa jest równa masie Słońca, staje się gwiazdą ciągu głównego po ok. 10 milionach lat. Niektóre obiekty ewoluują znacznie szybciej, co ma bezpośredni związek z ich masą. Przykładowo, protogwiazda osiągająca 15-krotność masy Słońca staje się gwiazdą po upływie zaledwie 100 tys. lat. Zaledwie, bo w skali Wszechświata to jak mrugnięcie okiem. Jakie procesy zachodzą w toku ewolucji protogwiazdy?

Układ słoneczny: Na początku był chaos

Historia Układu Słonecznego to dość zagadkowa układanka. Jedno jest pewne: na początku był chaos. Przeczytaj, jak powstał Układ Słoneczny.

Protogwiazdy formują się z obłoków pyłowo-gazowych. Proces ten rozpoczyna się w momencie, w którym następuje ich destabilizacja i zagęszczenie materii. Należy zdać sobie sprawę z tego, że obłoki trwają we względnym bezruchu przez setki milionów lat. Procesy gwiazdotwórcze muszą zostać pobudzone przez inne wydarzenie generujące ogromną siłę. Najczęściej doprowadzają do tego wybuchy supernowych, które wytwarzają falę uderzeniową o sile mogącej wytrącić z równowagi obłok molekularny. Niestabilność grawitacyjna może być też wywołana zderzeniem galaktyk.

Kolaps – pierwszy etap formowania protogwiazdy

Gdy obłok gazowo-pyłowy, składający się przede wszystkim z helu i wodoru w postaci atomowej, osiąga odpowiednią gęstość, rozpoczyna się proces zapadania grawitacyjnego, czyli kolaps. Obiekt gromadzi coraz więcej materii, zaczyna się kurczyć (proces ten jest nazywany kontrakcją grawitacyjną), co z kolei doprowadza do wzrostu jego masy i temperatury. Zdarza się, że proces ten następuje w jednym obszarze obłoku, ale w niektórych przypadkach, występuje w kilku miejscach, powodując jego rozpad na mniejsze obiekty (globule), które kurczą się w sposób niezależny. W następstwie tego powstaje gromada gwiazd, jednak należy podkreślić, że nie wszystkie globule przeistaczają się w gwiazdę ciągu głównego.

Reakcja termojądrowa zmienia protogwiazdę w gwiazdę ciągu głównego

Żeby taki obiekt mógł powstać, muszą zajść reakcje termojądrowe. Dogodne do tego warunki stwarzają jedynie obiekty o minimalnej masie równej 1/12 masy Słońca. Mniejsza protogwiazda nie może stać się gwiazdą ciągu głównego. Te obiekty zmieniają się w tzw. brązowego karła (obiekt gwiazdopodobny) i osiągają masę wynoszącą 8 proc. masy Słońca. Wytwarzają pewną ilość energii, ta jest jednak zbyt mała, żeby obiekt gwiazdopodobny mógł promieniować.

Jeżeli protogwiazda osiągnie masę minimalną równą 1/12 masy Słońca, temperatura w jej wnętrzu sięgnie ok. 15 milionów Kelwinów. Taka wartość zainicjuje syntezę wodoru w hel. Im większa będzie masa gwiazdy na etapie tworzenia, tym więcej promieniowania będzie wysyłać, a jej światło będzie jaśniejsze. Najmniejsze gwiazdy emitują światło czerwone, natomiast większe – niebieskie lub białe.

Gdy rozpocznie się reakcja termojądrowa, protogwiazda staje się gwiazdą ciągu głównego. Rozpoczyna się najdłuższy etap jej życia, obejmujący 70-90 proc. czasu liczonego od chwili „narodzin” gwiazdy do jej „śmierci”. Im większa jest jej masa, tym krótszy będzie cykl jej życia. Mniejsze gwiazdy, których masa jest 10-krotnie mniejsza od masy Słońca, istnieją nawet 20 bilionów lat. Mniejsze, o masie równej masie Słońca, „żyją” ok. 9 miliardów lat.

Skąd wiemy, jaki wiek ma gwiazda?

Po stuleciach patrzenia przez teleskopy w nocne niebo wiemy całkiem sporo o gwiazdach. Astronomowie są w stanie określić kluczowe atrybuty każdej gwiazdy, takie jak jej masa czy skład. W jaki...

W trakcie trwania ciągu głównego, zasoby „paliwa” w postaci wodoru zaczynają się stopniowo kurczyć. Po ich wyczerpaniu, jądro mgławicy planetarnej stygnie i przechodzi w fazę białego i czarnego karła. Jeżeli jednak masa obiektu jest większa niż 2,5 masy Słońca, hel w jądrze zapala się, w następstwie czego gwiazda przechodzi w etap czerwonego olbrzyma lub nadolbrzyma.

Na skutek wypalenia, małe gwiazdy po prostu znikają. Reakcje wytwarzane przez duże obiekty są jednak tak gwałtowne, że ich istnienie kończy się wybuchem supernowej albo hipernowej. Niektóre zmieniają się w czarne dziury.

Ciekawostki o protogwiazdach: protogwiazdy można obserwować tylko w długich falach elektromagnetycznych

Protogwiazda formuje się wewnątrz obłoku molekularnego o gęstości, która nie przepuszcza światła widzialnego. To sprawia, że obserwacja tych obiektów tradycyjnymi metodami nie jest możliwa. Obiekty, które w przyszłości będą czerpały energię z syntezy termojądrowej, można obserwować wyłącznie w dłuższych falach elektromagnetycznych, przede wszystkim – w dalekiej podczerwieni. Wynika to z faktu, że właśnie tam znajduje się maksymalny poziom jasności pyłu i kluczowe przejścia molekularne, które mogą być wykorzystane do pomiaru gęstości gazu i temperatury w bezpośrednim otoczeniu obiektu.

Ziemska atmosfera uniemożliwia przenikanie większości pasm podczerwieni. W rezultacie, jeszcze nie tak dawno temu jedyne obserwacje protogwiazd pochodziły z niewielkich satelitów i eksperymentów balonowych. Przełom w tym temacie wprowadziły dopiero obserwacje wykonane w latach 2009–2013 przez Kosmiczne Obserwatorium Herschela.

Brązowy karzeł o nazwie „Wypadek” zadziwia astronomów

Brązowy karzeł to typ obiektów które nie mieszczą się ani w kategorii gwiazd, ani planet.

Prowadzone badania udowodniły, że w otoczeniu protogwiazd występują liczne procesy, wśród których dominującą rolę odgrywają szoki (fale uderzeniowe), pojawiające się w momencie wyrzutu dżetów i wiatrów gwiazdowych.

Ciekawostki o protogwiazdach: promieniowanie UV może ograniczać ilość nowych gwiazd

Zdaniem astronomów, istniejąca materia pozwala na tworzenie znacznie większej ilości gwiazd. Co zatem wpływa na ten proces? Najprawdopodobniej wynika to z oddziaływania promieniowania UV.

Protogwiazdy emitują tylko nieznaczną ilość promieni ultrafioletowych, ale w ich otoczeniu powstaje znacznie silniejsze promieniowanie. Badania na temat jego wpływu i roli w procesie tworzenia gwiazd i ich układów planetarnych, które prowadziła dr. Agata Kraska z Centrum Astronomii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, rzuciły sporo światła na ten temat.

Promieniowanie ultrafioletowe może doprowadzać do zmian w temperaturze i składzie chemicznym materii, z której w przyszłości powstaną układy planetarne przypominające Układ Słoneczny. Analiza modeli powstawania gwiazd pokazuje, że dość skromny (w skali Wszechświata i znajdującej się w nim materii) „przyrost naturalny” gwiazd może być wynikiem działania promieni UV. Te mogą też kształtować skład przyszłych planet, np. niszcząc wodę.

Ciekawostki o protogwiazdach: młode dyski protoplanetarne są bardziej masywne od starszych

Gdy rozpoczyna się proces zapadania obłoku pyłu i gazu, z którego formują się protogwiazdy, powstaje spłaszczony dysk otaczający cały obiekt. Znajduje się w nim materia, z której powstaje nowa gwiazda, jednak najczęściej nie jest ona „zużywana” w całości. Z pozostałej materii ostatecznie tworzą się planety. Wiele aspektów związanych z procesem tworzenia się dysku protoplanetarnego wciąż jest owianych tajemnicą. Jednak cykl obserwacyjny VANDAM (VLA /ALMA Nascent Disc and Multiplicity) w obłokach molekularnych Oriona dostarczył sporo nowych informacji na ten temat.

Galaktyka Andromedy. Jak zobaczyć ją na niebie? Kiedy zderzy się z Drogą Mleczną?

Galaktyka Andromedy to jeden z najpopularniejszych obiektów głębokiego nieba, który znajduje się w odległości ok. 2,5 mln lat świetlnych od Ziemi. Warto więc poświęcić mu nieco naszej u...

Badanie pozwoliło poznać przeciętną masę i rozmiar dysków protoplanetarnych. Okazuje się, że najmłodsze mają rozmiar zbliżony do starszych, ale ich przeciętna masa jest większa. Młode dyski mają w sobie więcej czystej materii. To pozwala przypuszczać, że proces formowania większych planet rozpoczyna się już wokół protogwiazd.

Z prowadzonych obserwacji wynikła jeszcze jedna ciekawostka. W ramach badań wykonano setki zdjęć. W największym stopniu uwagę naukowców skupiły obrazy czterech nieregularnych protogwiazd. Badacze są zdania, że udało się im uchwycić jeden z najwcześniejszych etapów powstawania gwiazd. Niektóre nie zyskały jeszcze postaci protogwiazdy. To wyjątkowe odkrycie, bo bardzo rzadko udaje się znaleźć więcej niż jeden nieregularny obiekt.

Nasz ekspert

Artur Białek

Dziennikarz i redaktor. Wcześniej związany z redakcjami regionalnymi, technologicznymi i motoryzacyjnymi. W „National Geographic” pisze przede wszystkim o historii, kosmosie i przyrodzie, ale nie boi się żadnego tematu. Uwielbia podróżować, zwłaszcza rowerem na dystansach ultra. Zamiast wygodnego łóżka w hotelu, wybiera tarp i hamak. Prywatnie miłośnik literatury.