un univers la un moment dat
să presupunem că ai vrut să construiești o stea. Poate că faci parte dintr-o civilizație avansată Kardashev de tip 3 și trebuie să faci o stea pentru proiectul tău științific de clasa a treia. Cum ai crea o stea?
la nivel de bază, este destul de simplu să construiești o stea. Pur și simplu adunați gazul și praful unei stele, lăsați-o să se prăbușească împreună sub propria greutate și, având suficient timp, se va forma o stea. Acesta este modul în care stelele se formează în mod natural. Dar din moment ce am putea fi clasificați pe acest proiect, ar fi frumos să avem o idee despre cât de multă masă am putea avea nevoie și care ar fi dimensiunea și temperatura stelei rezultate.
răspunsul depinde destul de puțin de materialul pe care îl folosiți și de modul în care materialul se comportă sub diferite temperaturi și presiuni (ceea ce se numește uneori ecuația sa de stare). Deoarece cel mai comun material din univers este hidrogenul, să păstrăm lucrurile simple și să presupunem că ne vom construi steaua din hidrogen pur. Deoarece hidrogenul are o ecuație de stare foarte simplă, este ușor să calculăm ce se va întâmpla pe măsură ce ne construim Steaua.
dimensiunea planetelor în funcție de masă.
când vom începe să adunăm hidrogenul împreună, două lucruri vor începe să se întâmple. Primul este că atracția gravitațională dintre atomii de hidrogen va începe să prăbușească gazul sub propria greutate. Al doilea este că presiunea hidrogenului va împinge înapoi împotriva greutății. Având în vedere timpul, gazul va atinge echilibrul hidrostatic, unde presiunea gazului este egală cu greutatea sa, moment în care aveți o bilă stabilă de hidrogen. Acest lucru în sine nu este suficient pentru a face o stea. Dacă ați aduna masa de hidrogen a unui Saturn, ceea ce ați avea este o planetă de dimensiunea lui Saturn, nu o stea. Soluția evidentă este să adăugați pur și simplu mai mult hidrogen, ceea ce ar face planeta voastră mai mare și mai mare. În cele din urmă, bila ta de gaz ar crește până la o planetă de mărimea lui Jupiter și vei continua să adaugi mai mult hidrogen.
dimensiunea vârfului pentru o planetă de tip Jupiter.
dar se pare că ceva interesant se întâmplă atunci când continuați să adăugați mai mult hidrogen pe planeta voastră. Cu cât aveți mai mult hidrogen, cu atât aveți mai multă masă și asta înseamnă mai multă greutate. Gazul este stors mai puternic și, ca rezultat, se comprimă. Deci, dacă dublezi masa planetei tale de dimensiunea lui Saturn, nu obții o planetă de două ori mai mare decât Saturn. Obțineți o planetă puțin mai mare decât Saturn, dar cu o densitate mai mare. De exemplu, Jupiter este de peste trei ori mai mare decât masa lui Saturn, dar doar cu aproximativ 15% mai mare. Cu toate acestea, Jupiter are o densitate medie de aproximativ două ori mai mare decât cea a lui Saturn.
pe măsură ce continuați să adăugați mai multă masă, planeta voastră va deveni mai mare până la aproximativ 3 mase Jupiter. În acel moment, greutatea bilei dvs. de hidrogen este atât de mare încât adăugarea mai mult face de fapt planeta mai mică. Drept urmare, o planetă de 10 ori mai mare decât masa lui Jupiter ar avea aproximativ aceeași dimensiune ca Jupiter însuși. Aceasta reprezintă o adevărată provocare pentru astronomii care studiază exoplanetele. Doar pentru că o planetă are dimensiunea lui Jupiter nu înseamnă că are o masă Jupiter. Același lucru este valabil și pentru planetele mai mici. O planetă „super-Pământ” puțin mai mare decât Pământul ar putea fi o planetă stâncoasă sau o mică planetă asemănătoare lui Neptun, în funcție de ce este făcută.
pitici maro vs Stele. Credit: P. Marenfeld& NOAO/AURA/NSF
odată ce mingea de hidrogen ajunge la aproximativ 15 mase Jupiter intră în regimul piticilor maro. Adăugarea mai multă masă continuă să o facă mai mică, dar în acest moment temperatura interiorului său începe să joace un rol semnificativ. Modelul nostru simplu de echilibru hidrostatic nu este suficient. Hidrogenul din centru este stors atât de puternic încât se încălzește semnificativ. Deci, în timp ce o pitică maro are aproximativ aceeași dimensiune ca Jupiter, poate fi de peste 10 ori mai fierbinte. Adăugarea mai multă masă continuă să micșoreze ușor piticul maro, dar vine un punct în care interiorul devine atât de fierbinte încât crește presiunea hidrogenului mai repede decât poate stoarce greutatea adăugată. La fel cum există o dimensiune maximă pentru o planetă, există o dimensiune minimă pentru un pitic maro. Această dimensiune minimă este de aproximativ 80% cea a lui Jupiter, moment în care un pitic maro are o temperatură de aproximativ 2000 K. Un astfel de pitic maro ar arăta ca o stea mică și slabă.
Dimensiune vs masă pentru stelele secvenței principale.
dar o stea adevărată este una în care fuziunea nucleară are loc în miezul său. Lumina și căldura unei stele nu se datorează contracției gravitaționale, ci mai degrabă creării de energie prin fuziunea hidrogenului în heliu. Acest lucru începe să apară atunci când bila dvs. de hidrogen atinge aproximativ 90 de mase Jupiter, care întâmplător este aproximativ aceeași masă ca o pitică maro de dimensiuni minime. Acum, că ați făcut o stea, adăugând mai mult hidrogen doar o face mai mare și mai fierbinte. Deoarece stelele fuzionează hidrogenul în miezul lor, dimensiunea și densitatea lor se schimbă în timp. Dar dacă luăm în considerare doar stelele de secvență principală stabile, atunci există o relație simplă între masă și dimensiune. Deci, puteți decide cât de mult hidrogen să utilizați și să calculați dimensiunea stelei.
desigur, acest lucru este doar un simplu Stele ipotetice. Stelele reale nu sunt făcute exclusiv din hidrogen și, în funcție de originea și vârsta lor, se pot comporta foarte diferit decât steaua noastră simplă. Detaliile vor fi lăsate ca un exercițiu de teme pentru cititor.