yksi maailmankaikkeus kerrallaan
Oletetaan, että haluat rakentaa tähden. Ehkä olet osa pitkälle kehitettyä Kardashev Type 3-sivilisaatiota, – ja sinun täytyy tehdä tähti kolmannen luokan tiedeprojektillesi. Miten tekisit tähden?
perustasolla tähden rakentaminen on melko yksinkertaista. Kerää vain tähden verran kaasua ja pölyä, anna sen luhistua yhteen oman painonsa alla, ja kun aikaa on riittävästi, tähti muodostuu. Näin tähdet muodostuvat luonnostaan. Mutta koska meitä saatetaan arvostella tässä projektissa, olisi mukavaa saada käsitys siitä, kuinka paljon massaa tarvitsemme ja mikä syntyvän tähden koko ja lämpötila voisi olla.
vastaus riippuu melko paljon siitä, mitä materiaalia käyttää, ja miten materiaali käyttäytyy eri lämpötiloissa ja paineissa (mitä kutsutaan joskus sen tilayhtälöksi). Koska universumin yleisin materiaali on vety, pidetään asiat yksinkertaisina ja oletetaan, että rakennamme tähtemme puhtaasta vedystä. Koska vedyllä on hyvin yksinkertainen tilayhtälö, on helppo laskea, mitä tapahtuu, kun rakennamme tähteämme.
planeettojen koko massan mukaan.
kun vetyä aletaan koota yhteen, alkaa tapahtua kahta asiaa. Ensimmäinen on se, että vetyatomien välinen vetovoima alkaa romahduttaa kaasua oman painonsa alla. Toinen on se, että vedyn paine työntyy takaisin painoa vasten. Ajan myötä kaasu saavuttaa hydrostaattisen tasapainon, jossa kaasun paine on yhtä suuri kuin sen paino, jolloin sinulla on vakaa vetypallo. Tämä ei yksin riitä tähdeksi. Jos Kokoaisit Saturnuksen massan verran vetyä, sinulla olisi Saturnuksen kokoinen planeetta, ei tähteä. Ilmeinen ratkaisu on yksinkertaisesti lisätä enemmän vetyä, joka tekisi planeettasi isompi ja isompi. Lopulta kaasupallosi kasvaisi Jupiterin kokoiseksi planeetaksi, – ja sinä vain lisäisit vetyä.
Jupiter-tyyppisen planeetan Huippukoko.
mutta käy ilmi, että jotain mielenkiintoista tapahtuu, kun lisäät jatkuvasti lisää vetyä planeettaasi. Mitä enemmän vetyä, sitä enemmän massaa, ja se tarkoittaa enemmän painoa. Kaasu puristetaan voimakkaammin,ja sen seurauksena se tiivistyy. Jos siis tuplaat Saturnuksen kokoisen planeettasi massan, et saa Saturnusta tuplasti suurempaa planeettaa. Planeetta on hieman Saturnusta suurempi, mutta tiheämpi. Esimerkiksi Jupiter on yli kolme kertaa Saturnuksen massainen, mutta kooltaan vain noin 15% suurempi. Jupiterin tiheys on kuitenkin keskimäärin noin kaksinkertainen Saturnukseen verrattuna.
kun koko ajan lisää massaa, planeettasi suurenee noin 3 Jupiterin massaan asti. Siinä vaiheessa vetypallon paino on niin suuri, että sen lisääminen tekee planeetasta pienemmän. Tämän seurauksena 10 kertaa Jupiterin massainen planeetta olisi suunnilleen samankokoinen kuin Jupiter itse. Tämä asettaa todellisen haasteen eksoplaneettoja tutkiville tähtitieteilijöille. Vaikka planeetta on Jupiterin kokoinen, se ei tarkoita, että sillä on Jupiterin massa. Sama pätee pienempiin planeettoihin. Hieman Maata suurempi ”supermaaplaneetta” voisi olla kivinen planeetta tai pieni Neptunuksen kaltainen planeetta riippuen siitä, mistä se on tehty.
ruskeat kääpiöt vs. tähdet. Luotto: P. Marenfeld & NOAO/AURA/NSF
kun vetypallosi saavuttaa noin 15 Jupiterin massan, se siirtyy ruskeiden kääpiöiden hallintoon. Massan lisääminen tekee siitä edelleen pienemmän, mutta tässä vaiheessa sen sisätilojen lämpötilalla alkaa olla merkittävä rooli. Yksinkertainen hydrostaattisen tasapainon mallimme ei riitä. Keskustassa oleva vety puristuu niin voimakkaasti, että se kuumenee merkittävästi. Niinpä vaikka ruskea kääpiö on suunnilleen samankokoinen kuin Jupiter, se voi olla yli 10 kertaa kuumempi. Massan lisääminen kutistaa ruskeaa kääpiötä edelleen hieman, mutta tulee kohta, jossa sisus kuumenee niin, että se nostaa vedyn painetta nopeammin kuin lisäpaino ehtii puristaa. Aivan kuten planeetalle on maksimikoko, ruskealle kääpiölle on minimikoko. Tuo vähimmäiskoko on noin 80% Jupiterin koosta, jolloin ruskean kääpiön lämpötila on noin 2000 K. Tällainen ruskea kääpiö näyttäisi pieneltä, himmeältä tähdeltä.
koko vs massa pääsarjan tähdille.
mutta todellinen tähti on sellainen, jossa ydinfuusio tapahtuu sen ytimessä. Tähden valo ja lämpö eivät johdu painovoiman supistumisesta, vaan energian luomisesta fuusioimalla vetyä heliumiksi. Tämä alkaa tapahtua, kun vetypallosi saavuttaa noin 90 Jupiterin massan, joka on sattumoisin suunnilleen sama massa kuin vähimmäiskokoisella ruskealla kääpiöllä. Nyt kun olet tehnyt tähden, vedyn lisääminen tekee siitä suuremman ja kuumemman. Koska tähdet sulattavat ytimessään vetyä, niiden koko ja tiheys muuttuvat ajan myötä. Mutta jos ajatellaan vain vakaita pääjaksotähtiä, massan ja koon välillä on yksinkertainen suhde. Joten voit vain päättää, kuinka paljon vetyä käyttää, ja laskea koko tähti.
kyse on tietenkin vain yksinkertaisista hypoteettisista tähdistä. Todellisia tähtiä ei ole tehty pelkästään vedystä, ja riippuen niiden alkuperästä ja iästä ne voivat käyttäytyä hyvin eri tavalla kuin yksinkertainen tähtemme. Yksityiskohdat jäävät lukijan kotitehtäväksi.