Unser Himmel ist von einem Meer von Sterngeistern bedeckt; alle potenziellen Phantome, die seit Millionen von Jahren tot sind und die wir noch nicht kennen. Das werden wir heute diskutieren. Was passiert mit dem größten unserer Sterne und wie beeinflusst dies die Zusammensetzung des Universums, in dem wir leben?
Wir beginnen diese Reise mit der Beobachtung des Krebsnebels. Seine schönen Farben erstrecken sich nach außen in die dunkle Leere; ein himmlisches Grab mit einem gewalttätigen Ereignis, das vor Jahrtausenden stattfand. Sie strecken die Hand aus und beginnen mit der Bewegung Ihres Handgelenks, die Zeit zurückzuspulen und zu beobachten, wie diese schönen Nebel zu schrumpfen beginnen. Wenn sich die Uhr rückwärts dreht, beginnen sich die Farben des Nebels zu ändern, und Sie bemerken, dass sie auf einen einzigen Punkt schrumpfen. Wenn sich der Kalender dem 5. Juli 1054 nähert, hellt sich die Gaswolke auf und setzt sich an einem einzelnen Punkt am Himmel ab, der so hell wie der Vollmond ist und tagsüber sichtbar ist. Die Helligkeit nimmt ab und schließlich lag dort ein Punkt des Lichts; Ein Stern, den wir heute nicht sehen. Dieser Stern ist gestorben, aber zu diesem Zeitpunkt hätten wir das nicht gewusst. Für einen Beobachter vor diesem Datum erschien dieser Stern wie alle anderen Sterne ewig. Wie wir jedoch aus unserer privilegierten Perspektive wissen, wird dieser Stern in die Supernova gehen und einen der spektakulärsten Nebel gebären, die wir heute beobachten.
Stellare Geister sind eine gute Möglichkeit, viele der massiven Sterne zu beschreiben, die wir im gesamten Universum verstreut sehen. Was viele nicht erkennen, ist, dass wir, wenn wir tief in das Universum schauen, nicht nur über weite Entfernungen schauen, sondern auch in die Zeit zurückblicken. Eine der grundlegenden Eigenschaften des Universums, die wir recht gut kennen, ist, dass sich Licht mit einer endlichen Geschwindigkeit fortbewegt: ungefähr 300.000.000 m / s (ungefähr 671.000.000 mph). Diese Geschwindigkeit wurde durch viele strenge Tests und physikalische Beweise bestimmt. Tatsächlich ist das Verständnis dieser fundamentalen Konstante ein Schlüssel zu vielem, was wir über das Universum wissen, insbesondere in Bezug auf die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik. Trotzdem ist die Kenntnis der Lichtgeschwindigkeit der Schlüssel zum Verständnis dessen, was ich unter Sterngeistern verstehe. Sie sehen, Informationen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Wir nutzen das Licht der Sterne, um sie zu beobachten und daraus zu verstehen, wie sie funktionieren.
Ein anständiges Beispiel für diese Zeitverzögerung ist unsere eigene Sonne. Unsere Sonne ist ungefähr 8 Lichtminuten entfernt. Das heißt, das Licht, das wir von unserem Stern sehen, braucht 8 Minuten, um die Reise von seiner Oberfläche zu unseren Augen auf der Erde zu machen. Wenn unsere Sonne jetzt plötzlich verschwinden würde, würden wir 8 Minuten lang nichts davon wissen. Dies schließt nicht nur das Licht ein, das wir sehen, sondern auch seinen Gravitationseinfluss, der auf uns ausgeübt wird. Wenn die Sonne jetzt verschwand, würden wir unseren Orbitalpfad um unseren jetzt nicht existierenden Stern noch 8 Minuten lang fortsetzen, bevor die Gravitationsinformationen uns erreichten und uns mitteilten, dass wir nicht mehr an die Gravitation gebunden sind. Dies legt unsere kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung für die Geschwindigkeit fest, mit der wir Informationen empfangen können. Dies bedeutet, dass alles, was wir tief im Universum beobachten, zu uns kommt, wie es vor einigen Jahren „x“ war, wobei „x“ die Lichtentfernung von uns ist. Dies bedeutet, dass wir einen Stern beobachten, der 10 Lichtjahre von uns entfernt ist, wie es vor 10 Jahren war. Wenn dieser Stern jetzt sterben würde, würden wir es für weitere 10 Jahre nicht wissen. Wir können es also als „Sterngeist“ definieren. Ein Stern, der aus seiner Perspektive an seinem Standort tot ist, aber bei uns noch lebt und gesund ist.
Wie in einem früheren Artikel von mir (Sterne: Ein Tag im Leben) beschrieben, ist die Entwicklung eines Sterns komplex und hochdynamisch. Viele Faktoren spielen bei allem eine wichtige Rolle, von der Bestimmung, ob sich der Stern überhaupt bildet, bis hin zur Größe und damit zur Lebensdauer des Sterns. Im vorherigen Artikel habe ich die Grundlagen der Sternentstehung und das Leben der sogenannten Hauptreihensterne oder vielmehr Sterne, die unserer eigenen Sonne sehr ähnlich sind, behandelt. Während der Entstehungsprozess und das Leben eines Hauptreihensterns und der Sterne, die wir diskutieren werden, ziemlich ähnlich sind, gibt es wichtige Unterschiede in der Art und Weise, wie die Sterne, die wir untersuchen werden, sterben. Todesfälle durch Hauptreihensterne sind interessant, aber sie sind kaum mit den Raum-Zeit-Biegemethoden zu vergleichen, mit denen diese größeren Sterne enden.
Wie oben erwähnt, gab es einen Punkt, an dem dieses Objekt so hell wie der Vollmond leuchtete und tagsüber gesehen werden konnte, als wir den längst verschwundenen Stern beobachteten, der in der Mitte des Krebsnebels lag. Was könnte dazu führen, dass etwas so hell wird, dass es mit unserem nächsten himmlischen Nachbarn vergleichbar wäre? Wenn man bedenkt, dass der Krebsnebel 6.523 Lichtjahre entfernt ist, bedeutete dies, dass etwas, das ungefähr 153 Milliarden Mal weiter entfernt ist als unser Mond, so hell wie der Mond schien. Dies lag daran, dass der Stern bei seinem Tod zur Supernova wurde, was das Schicksal von Sternen ist, die viel größer sind als unsere Sonne. Sterne, die größer als unsere Sonne sind, werden nach ihrem Tod in zwei sehr extremen Zuständen enden: Neutronensterne und Schwarze Löcher. Beides sind würdige Themen, die Wochen in einem Astrophysikkurs umfassen könnten, aber für uns heute werden wir einfach darüber nachdenken, wie sich diese Gravitationsmonster bilden und was das für uns bedeutet.
Das Leben eines Sterns ist eine Geschichte einer fast außer Kontrolle geratenen Verschmelzung, die im Griff seiner eigenen Gravitationspräsenz enthalten ist. Wir nennen dies hydrostatisches Gleichgewicht, bei dem der Druck nach außen von den Schmelzelementen im Kern eines Sterns gleich dem Druck nach innen ist, der aufgrund der Masse des Sterns ausgeübt wird. Im Kern aller Sterne wird Wasserstoff (zunächst) zu Helium verschmolzen. Dieser Wasserstoff kam aus dem Nebel, aus dem der Stern geboren wurde, der verschmolz und zusammenbrach und dem Stern seine erste Chance im Leben gab. Während der gesamten Lebensdauer des Sterns wird der Wasserstoff verbraucht und immer mehr Heliumasche kondensiert in der Mitte des Sterns. Schließlich wird dem Stern der Wasserstoff ausgehen und die Fusion wird kurz aufhören. Dieser Mangel an Druck nach außen, da vorübergehend keine Fusion stattfindet, lässt die Schwerkraft gewinnen und drückt den Stern nach unten. Wenn der Stern schrumpft, steigt die Dichte und damit die Temperatur im Kern des Sterns. Schließlich erreicht es eine bestimmte Temperatur und die Heliumasche beginnt zu verschmelzen. So bewegen sich alle Sterne während des Hauptteils ihres Lebens und in die ersten Stadien ihres Todes. Hier diskutieren wir jedoch sonnengroße Sterne und die massiven Sterne teilweise.
Ein Stern, der ungefähr so groß ist wie unsere eigene Sonne, durchläuft diesen Prozess, bis er Kohlenstoff erreicht. Sterne dieser Größe sind einfach nicht groß genug, um Kohlenstoff zu verschmelzen. Wenn also das gesamte Helium zu Sauerstoff und Kohlenstoff verschmolzen ist (über zwei Prozesse, die zu komplex sind, um hier behandelt zu werden), kann der Stern Sauerstoff und Kohlenstoff nicht genug „zerkleinern“, um die Fusion zu starten, die Schwerkraft gewinnt und der Stern stirbt. Aber Sterne, die ausreichend mehr Masse als unsere Sonne haben (etwa das 7-fache der Masse), können an diesen Elementen vorbeiziehen und weiter leuchten. Sie haben genug Masse, um diesen „Quetsch- und Verschmelzungsprozess“ fortzusetzen, der die dynamischen Wechselwirkungen im Herzen dieser Himmelsöfen darstellt.
Diese größeren Sterne setzen ihren Fusionsprozess an Kohlenstoff und Sauerstoff vorbei, an Silizium vorbei, bis sie Eisen erreichen. Eisen ist die Todesnotiz, die von diesen lodernden Giganten gesungen wird. Wenn Eisen beginnt, ihren jetzt sterbenden Kern zu füllen, befindet sich der Stern in seinen Todeswürfen. Aber diese massiven Energiestrukturen gehen nicht leise in die Nacht. Sie gehen auf spektakulärste Weise aus. Wenn die letzten nicht-eisernen Elemente in ihren Kernen verschmelzen, gerät der Stern in Vergessenheit. Der Stern stürzt in sich zusammen, da er den unerbittlichen Griff der Schwerkraft nicht abwehren kann und die nachfolgenden Schichten übrig gebliebener Elemente aus seiner Lebensdauer zerquetscht. Dieser innere freie Fall wird bei einer bestimmten Größe mit einer unmöglichen Kraft zum Durchbrechen getroffen; Ein Neutronen-Entartungsdruck, der den Stern zwingt, nach außen abzuprallen. Diese enorme Menge an Gravitations- und kinetischer Energie rast mit einer Wut zurück, die das Universum beleuchtet und im Nu ganze Galaxien überstrahlt. Diese Wut ist das Lebensblut des Kosmos; Die Trommel schlägt in der galaktischen Symphonie, da diese intensive Energie die Verschmelzung von Elementen, die schwerer als Eisen sind, bis hin zu Uran ermöglicht. Diese neuen Elemente werden von dieser erstaunlichen Kraft nach außen gesprengt, reiten auf den Wellen der Energie, die sie tief in den Kosmos werfen, und säen das Universum mit allen Elementen, die wir kennen.
Aber was bleibt übrig? Was gibt es nach diesem spektakulären Ereignis? Das hängt alles wieder von der Masse des Sterns ab. Wie bereits erwähnt, sind die beiden Formen, die ein toter massereicher Stern annimmt, entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch. Für einen Neutronenstern ist die Formation ziemlich komplex. Im Wesentlichen treten die von mir beschriebenen Ereignisse auf, außer dass nach den Supernovae nur noch eine Kugel entarteter Neutronen übrig bleibt. Entartet ist einfach ein Begriff, den wir auf eine Form anwenden, die Materie annimmt, wenn sie auf die von der Physik zugelassenen Grenzen komprimiert wird. Etwas Entartetes ist sehr dicht, und dies gilt sehr für einen Neutronenstern. Eine Zahl, die Sie vielleicht gehört haben, ist, dass ein Teelöffel Neutronensternmaterial ungefähr 10 Millionen Tonnen wiegt und eine Fluchtgeschwindigkeit (die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um von seiner Anziehungskraft wegzukommen) bei etwa 0,4 c oder 40% der Geschwindigkeit hat des Lichts. Manchmal dreht sich der Neutronenstern mit unglaublichen Geschwindigkeiten, und wir bezeichnen diese als Pulsare. Der Name leitet sich davon ab, wie wir sie erkennen.
Diese Arten von Sternen erzeugen eine Menge Strahlung. Neutronensterne haben ein enormes Magnetfeld. Dieses Feld beschleunigt Elektronen in ihrer Sternatmosphäre auf unglaubliche Geschwindigkeiten. Diese Elektronen folgen den Magnetfeldlinien des Neutronensterns zu seinen Polen, wo sie Radiowellen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen freisetzen können (je nachdem, um welche Art von Neutronenstern es sich handelt). Da diese Energie auf die Pole konzentriert wird, entsteht eine Art Leuchtturmeffekt mit energiereichen Strahlen, die wie Lichtstrahlen aus einem Leuchtturm wirken. Während sich der Stern dreht, bewegen sich diese Strahlen viele Male pro Sekunde. Wenn die Erde und damit unsere Beobachtungsausrüstung mit diesem Pulsar günstig ausgerichtet ist, werden wir diese „Energieimpulse“ registrieren, wenn die Strahlen der Sterne über uns hinwegfließen. Bei all den Pulsaren, die wir kennen, sind wir viel zu weit weg, als dass diese Energiestrahlen uns verletzen könnten. Aber wenn wir uns einem dieser toten Sterne nähern würden, würde diese Strahlung, die unseren Planeten ununterbrochen überflutet, ein gewisses Aussterben für das Leben bedeuten, wie wir es kennen.
Was ist mit der anderen Form, die ein toter Stern annimmt? ein schwarzes Loch? Wie kommt das vor? Wenn degeneriertes Material so weit ist, wie wir Materie zerkleinern können, wie erscheint dann ein Schwarzes Loch? Einfach ausgedrückt, Schwarze Löcher sind das Ergebnis eines unvorstellbar großen Sterns und damit einer wirklich massiven Menge an Materie, die diesen Neutronen-Entartungsdruck beim Zusammenbruch „brechen“ kann. Der Stern fällt im Wesentlichen mit einer solchen Kraft nach innen, dass er diese scheinbar physikalische Grenze überschreitet, sich in sich selbst dreht und die Raumzeit in einen Punkt unendlicher Dichte einwickelt; eine Singularität. Dieses erstaunliche Ereignis tritt auf, wenn ein Stern ungefähr 18-mal so viel Masse hat wie unsere Sonne, und wenn er stirbt, ist er wirklich der Inbegriff der Physik, die bis zum Äußersten gegangen ist. Dieses „zusätzliche Stück Masse“ ermöglicht es ihm, diesen Ball entarteter Neutronen zusammenzubrechen und gegen unendlich zu fallen. Es ist sowohl erschreckend als auch schön darüber nachzudenken; Ein Punkt in der Raumzeit, der von unserer Physik nicht vollständig verstanden wird, und doch existiert etwas, von dem wir wissen, dass es existiert. Das wirklich Bemerkenswerte an Schwarzen Löchern ist, dass es so ist, als würde das Universum gegen uns arbeiten. Die Informationen, die wir benötigen, um die Prozesse innerhalb eines Schwarzen Lochs vollständig zu verstehen, sind hinter einem Schleier eingeschlossen, den wir als Ereignishorizont bezeichnen. Dies ist der Punkt ohne Wiederkehr für ein Schwarzes Loch, für das irgendetwas jenseits dieses Punktes in der Raumzeit keine zukünftigen Wege hat, die daraus herausführen. In dieser Entfernung entweicht nichts dem kollabierten Stern in seinem Kern, nicht einmal Licht, und daher verlässt keine Information jemals diese Grenze (zumindest nicht in einer Form, die wir verwenden können). Das dunkle Herz dieses wirklich erstaunlichen Objekts lässt zu wünschen übrig und verleitet uns, in sein Reich zu gelangen, um zu versuchen, das Unwissbare zu erkennen. die Frucht vom Baum des Wissens zu fassen.
Nun muss gesagt werden, dass es bis heute viel Forschung mit Schwarzen Löchern gibt. Physiker wie Professor Stephen Hawking haben unter anderem unermüdlich an der theoretischen Physik gearbeitet, die hinter der Funktionsweise eines Schwarzen Lochs steht, und versucht, die Paradoxien zu lösen, die häufig auftreten, wenn wir versuchen, das Beste unserer Physik gegen sie einzusetzen. Es gibt viele Artikel und Artikel über solche Forschungen und ihre nachfolgenden Erkenntnisse, daher werde ich nicht auf ihre Feinheiten eingehen, um sowohl das Verständnis zu vereinfachen als auch die erstaunlichen Köpfe, die sich mit diesen Themen befassen, nicht zu entlasten. Viele schlagen vor, dass die Singularität eine mathematische Kuriosität ist, die nicht vollständig darstellt, was physikalisch passiert. Dass die Materie innerhalb eines Ereignishorizonts neue und exotische Formen annehmen kann. Es ist auch erwähnenswert, dass in der Allgemeinen Relativitätstheorie alles mit Masse zu einem Schwarzen Loch zusammenbrechen kann, aber wir halten im Allgemeinen an einer Reihe von Massen fest, da die Schaffung eines Schwarzen Lochs mit weniger als diesem Massenbereich außerhalb unseres Verständnisses liegt, wie dies verstanden wird könnte passieren. Aber als jemand, der Physik studiert, möchte ich nicht erwähnen, dass wir uns ab sofort an einem interessanten Querschnitt von Ideen befinden, die sich sehr genau mit dem befassen, was tatsächlich in diesen Schwerkraftspektren vor sich geht.
All dies bringt mich zu einem Punkt zurück, der gemacht werden muss. Eine Tatsache, die erkannt werden muss. Als ich den Tod dieser massiven Sterne beschrieb, berührte ich etwas, das sich ereignet. Während der Stern aus seiner eigenen Energie herausgerissen und sein Inhalt nach außen in das Universum geblasen wird, findet etwas statt, das als Nukleosynthese bezeichnet wird. Dies ist die Verschmelzung von Elementen, um neue Elemente zu erstellen. Vom Wasserstoff bis zum Uran. Diese neuen Elemente werden mit unglaublicher Geschwindigkeit nach außen gesprengt, und somit werden all diese Elemente schließlich ihren Weg in Molekülwolken finden. Molekülwolken (Dunkle Nebel) sind die stellaren Baumschulen des Kosmos. Hier beginnen die Sterne. Und durch Sternentstehung erhalten wir Planetenbildung.
Während sich ein Stern bildet, beginnt sich eine Trümmerwolke, die aus der Molekülwolke besteht, die den Stern geboren hat, um ihn herum zu drehen. Diese Wolke enthält, wie wir jetzt wissen, all jene Elemente, die in unseren Supernovae gekocht wurden. Der Kohlenstoff, der Sauerstoff, die Silikate, das Silber, das Gold; alle in dieser Wolke vorhanden. Auf dieser Akkretionsscheibe über diesen neuen Stern bilden sich Planeten, die aus dieser angereicherten Umgebung verschmelzen. Fels- und Eiskugeln kollidieren, sammeln sich an, werden auseinandergerissen und dann reformiert, während die Schwerkraft ihre neuen Welten mit fleißigen Händen zu Inseln der Möglichkeit formt. Diese Planeten werden aus denselben Elementen gebildet, die bei diesem katastrophalen Ausbruch synthetisiert wurden. Diese neuen Welten enthalten die Blaupausen für das Leben, wie wir es kennen.
Auf einer dieser Welten tritt eine bestimmte Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff auf. Innerhalb dieser Mischung bilden sich bestimmte Kohlenstoffatome, um replizierende Ketten zu bilden, die einem einfachen Muster folgen. Vielleicht finden sich nach Milliarden von Jahren dieselben Elemente, die von diesem sterbenden Stern in das Universum gestoßen wurden, wieder, um etwas zu beleben, das die Majestät des Kosmos nachschlagen und schätzen kann. Vielleicht hat dieses Etwas die Intelligenz zu erkennen, dass das Kohlenstoffatom in ihm dasselbe Kohlenstoffatom ist, das in einem sterbenden Stern erzeugt wurde, und dass eine Supernovae aufgetreten ist, die es diesem Kohlenstoffatom ermöglicht hat, seinen Weg in den richtigen Teil des Universums zu finden die richtige Zeit. Die Energie, die der letzte sterbende Atemzug eines langen toten Sterns war, war dieselbe Energie, die es dem Leben ermöglichte, seinen ersten Atemzug zu nehmen und auf die Sterne zu blicken. Diese Sterngeister sind unsere Vorfahren. Sie sind in Form verschwunden, bleiben aber in unserem chemischen Gedächtnis. Sie existieren in uns. Wir sind Supernova. Wir sind Sternenstaub. Wir stammen von Sterngeistern ab…
