jeden Wszechświat na raz
Załóżmy, że chcesz zbudować gwiazdę . Być może jesteś częścią zaawansowanej cywilizacji Kardaszewa typu 3 i musisz zrobić gwiazdę dla swojego projektu naukowego w trzeciej klasie. Jak stworzyłbyś gwiazdę?
na poziomie podstawowym zbudowanie gwiazdy jest dość proste. Po prostu Zbierz ilość gazu i pyłu Gwiazdy, pozwól jej zapaść się pod własnym ciężarem i po odpowiednim czasie gwiazda uformuje się. W ten sposób gwiazdy tworzą się naturalnie. Ale ponieważ możemy być oceniani na tym projekcie, byłoby miło mieć wyobrażenie o tym, ile masy możemy potrzebować, i jaka może być wielkość i temperatura powstałej Gwiazdy.
odpowiedź zależy trochę od tego, jakiego materiału używasz i jak materiał zachowuje się w różnych temperaturach i ciśnieniach (co czasami nazywa się równaniem stanu). Ponieważ najpowszechniejszym materiałem we wszechświecie jest wodór, zachowajmy prostotę i załóżmy, że zbudujemy naszą gwiazdę z czystego wodoru. Ponieważ Wodór ma bardzo proste równanie stanu, łatwo jest obliczyć, co się stanie, gdy zbudujemy naszą gwiazdę.
wielkość Planet według masy.
kiedy zaczniemy gromadzić Wodór razem, zaczną się dziać dwie rzeczy. Pierwszym jest to, że przyciąganie grawitacyjne między atomami wodoru zacznie zapadać się gaz pod własnym ciężarem. Po drugie, ciśnienie wodoru odpycha się do ciężaru. W miarę upływu czasu Gaz osiągnie równowagę hydrostatyczną, gdzie ciśnienie gazu jest równe jego masie, w którym znajduje się stabilna kula wodoru. To samo w sobie nie wystarczy do stworzenia Gwiazdy. Jeśli zebralibyśmy masę wodoru Saturna, mielibyśmy planetę wielkości Saturna, a nie gwiazdę. Oczywistym rozwiązaniem jest po prostu dodanie większej ilości wodoru, co sprawi, że wasza planeta będzie coraz większa. W końcu twoja kula gazu urosłaby do planety wielkości Jowisza, a ty wciąż dodajesz więcej wodoru.
wielkość Szczytowa dla planety typu Jowiszowego.
ale okazuje się, że coś ciekawego dzieje się, gdy dodajesz więcej wodoru do swojej planety. Im więcej wodoru, tym więcej masy, a to oznacza większą wagę. Gaz jest ściskany mocniej, a w rezultacie kompresuje. Więc jeśli podwoisz masę planety wielkości Saturna, nie dostaniesz planety dwa razy większej od Saturna. Otrzymujemy planetę nieco większą od Saturna, ale o większej gęstości. Na przykład Jowisz ma ponad trzykrotnie większą masę niż Saturn, ale tylko o około 15% większą. Jednak Jowisz ma średnią gęstość około dwa razy większą niż Saturn.
gdy dodasz więcej masy, Twoja planeta zwiększy się do około 3 mas Jowisza. W tym momencie masa kuli wodoru jest tak duża, że dodanie większej ilości czyni planetę mniejszą. W rezultacie planeta o masie 10 razy większej od masy Jowisza byłaby mniej więcej tej samej wielkości co sam Jowisz. Stanowi to prawdziwe wyzwanie dla astronomów badających egzoplanety. To, że planeta jest wielkości Jowisza, nie oznacza, że ma masę Jowisza. To samo dotyczy mniejszych planet. Planeta „super-Ziemia” nieco większa od Ziemi może być planetą skalistą lub małą planetą podobną do Neptuna w zależności od tego, z czego jest zbudowana.
brązowe karły vs Gwiazdy. Źródło: P. Marenfeld & NOAO/AURA/NSF
gdy kula wodoru osiągnie około 15 mas Jowisza, wchodzi w reżim brązowych karłów. Dodawanie większej masy sprawia, że jest on coraz mniejszy, ale w tym momencie Temperatura jego wnętrza zaczyna odgrywać znaczącą rolę. Nasz prosty model równowagi hydrostatycznej nie wystarczy. Wodór w centrum jest tak mocno ściskany, że znacznie się nagrzewa. Brązowy karzeł jest mniej więcej tej samej wielkości co Jowisz, ale może być ponad 10 razy gorętszy. Dodawanie większej masy zmniejsza nieznacznie brązowego karła, ale przychodzi moment, w którym wnętrze staje się tak gorące, że podnosi ciśnienie wodoru szybciej, niż dodana masa może wycisnąć. Tak jak jest maksymalny rozmiar dla planety, tak jest minimalny rozmiar dla brązowego karła. Ta minimalna wielkość to około 80% wielkości Jowisza, w którym to momencie brązowy karzeł ma temperaturę około 2000 K. Taki brązowy karzeł wyglądałby jak mała, ciemna gwiazda.
Rozmiar vs Masa dla gwiazd ciągu głównego.
ale prawdziwa gwiazda to taka, w której w jej jądrze zachodzi fuzja jądrowa. Światło i ciepło gwiazdy nie jest spowodowane skurczem grawitacyjnym, ale raczej wytworzeniem energii przez stopienie wodoru w hel. Zaczyna to mieć miejsce, gdy kula wodoru osiągnie około 90 mas Jowisza, co przypadkowo jest mniej więcej taką samą masą jak minimalny brązowy karzeł. Teraz, gdy stworzyliśmy gwiazdę, dodanie więcej wodoru sprawia, że jest ona większa i gorętsza. Ponieważ Gwiazdy łączą wodór w jądrze, ich rozmiar i gęstość zmieniają się w czasie. Ale jeśli weźmiemy pod uwagę tylko stabilne Gwiazdy ciągu głównego, to istnieje prosta zależność między masą a wielkością. Możesz więc zdecydować, ile wodoru zużyć i obliczyć wielkość swojej gwiazdy.
oczywiście jest to tylko prosta hipotetyczna gwiazda. Prawdziwe gwiazdy nie są zbudowane wyłącznie z wodoru i w zależności od ich pochodzenia i wieku mogą zachowywać się zupełnie inaczej niż zwykła gwiazda. Szczegóły zostaną pozostawione jako zadanie domowe dla czytelnika.