Ada sesuatu tentang mereka yang menyusahkan kita semua. Banyak agama umat manusia boleh dikaitkan dengan menyembah lilin langit ini. Bagi orang Mesir, matahari mewakili Dewa Ra, yang setiap hari mengalahkan malam dan membawa cahaya dan kehangatan ke tanah. Bagi orang-orang Yunani, Apollo-lah yang membawa kereta api yang menyala-nyala ke langit, menerangi dunia. Bahkan dalam agama Kristian, Yesus boleh dikatakan mewakili matahari memandangkan ciri-ciri mencolok yang dimiliki oleh ceritanya dengan kepercayaan dan tokoh astrologi kuno. Sebenarnya, banyak kepercayaan kuno mengikuti jalan yang serupa, yang semuanya mengaitkan asal usulnya dengan pemujaan matahari dan bintang.
Kemanusiaan berkembang dari bintang-bintang di langit malam kerana mereka mengenali korelasi dalam corak di mana pembentukan bintang tertentu (dikenali sebagai buruj) mewakili masa-masa tertentu dalam kitaran tahunan. Salah satu yang dimaksudkan adalah menjadi cepat panas, yang menyebabkan menanam makanan. Buruj yang lain menubuatkan kedatangan a
tempoh yang lebih sejuk, jadi anda dapat mula menyimpan makanan dan mengumpulkan kayu bakar. Melangkah ke hadapan dalam perjalanan kemanusiaan, bintang-bintang kemudian menjadi jalan untuk menavigasi. Berlayar dengan bintang-bintang adalah cara untuk berkeliling, dan kita berhasrat meneroka awal pemahaman kita mengenai buruj. Selama puluhan ribu tahun mata manusia menatap ke atas ke langit, baru-baru ini baru kita mulai memahami apa sebenarnya bintang, dari mana asalnya, dan bagaimana mereka hidup dan mati. Inilah yang akan kita bincangkan dalam artikel ini. Ikutilah saya ketika kita menjelajah jauh ke dalam kosmos dan menyaksikan tulisan fizik yang besar, ketika saya merangkumi bagaimana bintang dilahirkan, hidup, dan akhirnya mati.
Kami memulakan perjalanan dengan menjelajah ke alam semesta untuk mencari sesuatu yang istimewa. Kami mencari struktur yang unik di mana keadaan dan bahan yang betul ada. Kami mencari apa yang disebut ahli astronomi sebagai Nebula Gelap. Saya pasti anda pernah mendengar tentang nebula sebelum ini, dan sudah pasti anda melihatnya. Banyak gambar luar biasa yang diperoleh Teleskop Angkasa Hubble adalah awan gas yang indah, bersinar di tengah-tengah latar belakang berbilion bintang. Warna mereka berkisar dari warna merah tua, hingga warna biru cerah, dan bahkan beberapa hijau yang menakutkan. Ini bukan jenis nebula yang kita cari. Nebula yang kita perlukan gelap, legap, dan sangat sejuk.
Anda mungkin bertanya-tanya pada diri sendiri, "Mengapa kita mencari sesuatu yang gelap dan sejuk ketika bintang-bintang cerah dan panas?"
Sebenarnya, ini adalah sesuatu yang kelihatan membingungkan pada mulanya. Mengapa sesuatu perlu menjadi sejuk terlebih dahulu sebelum menjadi sangat panas? Pertama, kita mesti merangkumi sesuatu yang asas mengenai apa yang kita panggil Interstellar Medium (ISM), atau ruang antara bintang. Ruang tidak kosong seperti namanya. Ruang mengandungi gas dan habuk. Gas yang terutama kita maksudkan adalah Hidrogen, unsur paling banyak di alam semesta. Oleh kerana alam semesta tidak seragam (ketumpatan gas dan habuk yang sama di setiap meter padu), terdapat ruang ruang yang mengandungi lebih banyak gas dan habuk daripada yang lain. Ini menyebabkan graviti memanipulasi poket ini untuk bersatu dan membentuk apa yang kita lihat sebagai nebula. Banyak perkara berkaitan dengan pembuatan nebula yang berbeza ini, tetapi yang kita cari, Dark Nebula, mempunyai sifat yang sangat istimewa. Sekarang, mari kita selami salah satu Nebula Gelap ini dan lihat apa yang sedang berlaku.
Semasa turun melalui lapisan luar nebula ini, kita perhatikan bahawa suhu gas dan debu sangat rendah. Di beberapa nebula, suhunya sangat panas. Semakin banyak zarah saling bertemu, teruja dengan penyerapan dan pelepasan sinaran luaran dan dalaman, bermaksud suhu lebih tinggi. Tetapi di Nebula Gelap ini, sebaliknya berlaku. Suhu semakin berkurang ke awan yang kita dapat. Sebab mengapa Nebula Gelap ini mempunyai sifat khusus yang berfungsi untuk mewujudkan taman asuhan bintang yang hebat berkaitan dengan sifat asas nebula dan jenis kawasan di mana awan itu wujud, yang mempunyai beberapa konsep sukar yang berkaitan dengannya yang tidak akan saya gambarkan sepenuhnya di sini. Mereka merangkumi wilayah di mana awan molekul terbentuk yang disebut Kawasan Hidrogen Neutral, dan sifat-sifat kawasan ini harus berurusan dengan nilai putaran elektron, bersama dengan interaksi medan magnet yang mempengaruhi elektron tersebut. Ciri-ciri yang akan saya bahas adalah yang memungkinkan nebula ini matang untuk pembentukan bintang.
Mengecualikan sains kompleks di sebalik apa yang membantu membentuk nebula ini, kita dapat mulai menjawab persoalan pertama mengapa kita mesti menjadi lebih sejuk untuk menjadi lebih panas. Jawapannya turun ke graviti. Apabila zarah dipanaskan, atau teruja, mereka bergerak lebih cepat. Awan dengan tenaga yang mencukupi akan mengandungi momentum terlalu banyak di antara setiap zarah debu dan gas untuk sebarang jenis formasi berlaku. Seperti halnya, jika butiran debu dan atom gas bergerak terlalu cepat, mereka akan melantun satu sama lain atau hanya menembak satu sama lain, tidak akan mencapai ikatan apa pun. Tanpa interaksi ini, anda tidak akan pernah mempunyai bintang. Namun, jika suhunya cukup sejuk, zarah-zarah gas dan debu bergerak sangat perlahan sehingga graviti bersama akan memungkinkan mereka mula "melekat" bersama. Proses inilah yang membolehkan protostar mula terbentuk.
Secara amnya, yang membekalkan tenaga untuk membolehkan pergerakan zarah-zarah yang lebih pantas di awan molekul ini adalah radiasi. Sudah tentu, ada sinaran yang datang dari semua arah sepanjang masa di alam semesta. Seperti yang kita lihat dengan nebula lain, mereka bersinar dengan tenaga dan bintang tidak dilahirkan di tengah-tengah awan gas panas ini. Mereka dipanaskan oleh sinaran luaran dari bintang lain dan dari panas dalamannya sendiri. Bagaimana Nebula Gelap ini dapat menghalang radiasi luaran daripada memanaskan gas di awan dan menyebabkannya bergerak terlalu pantas untuk daya tarikan graviti? Di sinilah dimana
sifat legap dari Dark Nebulae ini mula digunakan. Kelegapan adalah ukuran berapa banyak cahaya yang dapat bergerak melalui objek. Semakin banyak bahan dalam objek atau semakin tebal objek, semakin sedikit cahaya yang dapat menembusnya. Lampu frekuensi yang lebih tinggi (Sinaran Gamma, Sinar X, dan UV) dan bahkan frekuensi yang kelihatan lebih banyak dipengaruhi oleh kantong gas dan habuk yang tebal. Hanya jenis cahaya frekuensi yang lebih rendah, termasuk Inframerah, Gelombang Mikro, dan Gelombang Radio, yang berjaya menembusi awan gas seperti ini, dan bahkan ia agak tersebar sehingga umumnya mereka tidak mengandungi tenaga yang cukup untuk mula mengganggu keadaan berbahaya ini proses pembentukan bintang. Oleh itu, bahagian dalam awan gas gelap secara efektif "terlindung" dari sinaran luar yang mengganggu nebula lain yang kurang legap. Semakin sedikit sinaran yang membuatnya ke awan, semakin rendah suhu gas dan habuk di dalamnya. Suhu yang lebih sejuk bermaksud pergerakan zarah yang lebih sedikit di dalam awan, yang merupakan kunci untuk perkara yang akan kita bincangkan seterusnya.
Sesungguhnya, ketika kami menuju ke teras awan molekul gelap ini, kami melihat bahawa cahaya yang kurang kelihatan kurang dapat dilihat oleh mata kita, dan dengan penapis khas, kita dapat melihat bahawa ini berlaku untuk frekuensi cahaya yang lain. Akibatnya, suhu awan sangat rendah. Perlu diingat bahawa proses pembentukan bintang memerlukan masa yang sangat lama, dan demi kepentingan tidak membuat anda membaca selama beratus-ratus ribu tahun, sekarang kita akan mempercepat masa. Dalam beberapa ribu tahun, graviti telah menarik sejumlah besar gas dan debu dari awan molekul di sekitarnya, menyebabkannya berkumpul bersama. Zarah habuk dan gas, yang masih terlindung dari sinaran luar, bebas secara semula jadi bersatu dan "melekat" pada suhu rendah ini. Akhirnya, sesuatu yang menarik mula berlaku. Graviti bersama bola gas dan debu yang semakin meningkat ini memulakan kesan bola salji (atau bola-bintang). Semakin banyak lapisan gas dan habuk yang dibekukan bersama, semakin padat bahagian dalam protostar ini. Ketumpatan ini meningkatkan daya graviti berhampiran protostar, sehingga menarik lebih banyak bahan ke dalamnya. Dengan setiap butiran debu dan atom hidrogen yang terkumpul, tekanan di bahagian dalam bola gas ini meningkat.
Sekiranya anda mengingati sesuatu dari kelas kimia yang pernah anda ambil, anda mungkin mengingati hubungan yang sangat istimewa antara tekanan dan suhu ketika menghadapi gas. PV = nRT, Undang-undang Gas Ideal, terlintas di fikiran. Tidak termasuk nilai skalar malar 'n' dan pemalar gas R ({8.314 J / mol x K}), dan penyelesaian untuk Suhu (T), kami mendapat T = PV, yang bermaksud bahawa suhu awan gas berkadar terus kepada tekanan. Sekiranya anda meningkatkan tekanan, anda akan menaikkan suhu. Inti dari bintang yang akan segera berada di Nebula Gelap ini menjadi sangat padat, dan tekanannya meroket. Menurut apa yang baru kita hitung, itu bermaksud bahawa suhu juga meningkat.
Kami sekali lagi mempertimbangkan nebula ini untuk langkah seterusnya. Nebula ini mempunyai sejumlah besar debu dan gas (oleh itu menjadi legap), yang bermaksud ia mempunyai banyak bahan untuk memberi makan protostar kami. Ia terus mengeluarkan gas dan habuk dari persekitarannya dan mula memanaskan badan. Zarah-zarah hidrogen dalam inti objek ini memantul begitu cepat sehingga mereka melepaskan tenaga ke dalam bintang. Protostar mula menjadi sangat panas dan sekarang bersinar dengan sinaran (umumnya Inframerah). Pada tahap ini, graviti masih menarik lebih banyak gas dan debu yang menambah tekanan yang diberikan jauh di dalam teras protostar ini. Gas Nebula Gelap akan terus runtuh dalam dirinya sehingga sesuatu yang penting berlaku. Apabila tidak ada yang tersisa di dekat bintang yang jatuh ke permukaannya, ia mula kehilangan tenaga (kerana ia memancar sebagai cahaya). Apabila ini berlaku, daya luar berkurang dan graviti mula menguncup bintang dengan lebih cepat. Ini sangat meningkatkan tekanan pada inti protostar ini. Semasa tekanan meningkat, suhu di teras mencapai nilai yang sangat penting untuk proses yang kita saksikan. Inti protostar menjadi sangat padat dan panas, sehingga mencapai sekitar 10 juta Kelvin. Untuk melihatnya, suhu ini kira-kira 1700x lebih panas daripada permukaan matahari kita (sekitar 5800K). Mengapa 10 juta Kelvin begitu penting? Kerana pada suhu itu, peleburan termonuklear Hidrogen dapat terjadi, dan setelah peleburan bermula, bintang yang baru lahir ini "menyala" dan meletup hidup, mengirimkan sejumlah besar tenaga ke semua arah.
Pada intinya, sangat panas sehingga elektron yang berpusing di sekitar inti proton hidrogen dilucutkan (diionisasi), dan semua yang anda miliki adalah proton bergerak bebas. Sekiranya suhu tidak cukup panas, proton terbang percuma ini (yang mempunyai cas positif), hanya akan saling memandang. Namun, pada 10 Juta Kelvin, proton bergerak begitu cepat sehingga mereka dapat mendekati Pasukan Nuklear Kuat untuk mengambil alih, dan ketika itu, proton Hidrogen mula saling membanting dengan kekuatan yang cukup untuk menyatu bersama, mewujudkan Atom helium dan membebaskan banyak tenaga dalam bentuk sinaran. Ini adalah reaksi berantai yang dapat disimpulkan sebagai 4 Proton menghasilkan 1 atom Helium + tenaga. Gabungan inilah yang menyalakan bintang dan menyebabkannya "terbakar". Tenaga yang dibebaskan oleh tindak balas ini membantu proton hidrogen lain menyatu dan juga membekalkan tenaga untuk memastikan bintang itu tidak runtuh. Tenaga yang mengepam bintang ini ke semua arah datang dari inti, dan lapisan bintang muda yang berikutnya ini memancarkan haba dengan cara mereka sendiri (menggunakan kaedah sinaran dan perolakan bergantung pada jenis bintang yang telah dilahirkan) .
Apa yang telah kita saksikan sekarang, dari awal perjalanan kita ketika terjun ke Nebula Gelap yang sejuk itu, adalah kelahiran bintang muda yang panas. Nebula melindungi bintang ini dari sinaran yang salah yang akan mengganggu proses ini, dan juga menyediakan persekitaran yang sejuk yang diperlukan agar graviti dapat menahan dan mengerjakan sihirnya. Semasa kita menyaksikan bentuk protostar, kita mungkin juga telah melihat sesuatu yang luar biasa. Sekiranya kandungan nebula ini betul, seperti jumlah logam berat dan silikat yang tinggi (yang tersisa dari supernova bintang terdahulu yang lebih besar) apa yang dapat kita lihat ialah pembentukan planet yang berlaku di cakera penambahan bahan di sekitar protostar.
Sisa gas dan habuk di sekitar bintang baru kita akan mula membentuk poket padat dengan mekanisme yang sama
graviti, akhirnya dapat mengakrab menjadi protoplanet yang akan terdiri daripada gas atau silikat dan logam (atau gabungan keduanya). Yang dikatakan, pembentukan planet masih menjadi misteri bagi kita, kerana nampaknya ada perkara yang belum dapat kita jelaskan di tempat kerja. Tetapi model pembentukan sistem bintang ini nampaknya berfungsi dengan baik.
Kehidupan bintang hampir tidak seronok dengan kelahiran atau kematiannya. Kami akan terus memacu masa dengan pantas dan menyaksikan sistem bintang ini berkembang. Selama beberapa bilion tahun, sisa-sisa Dark Nebula telah hancur dan juga membentuk bintang-bintang lain seperti yang kita saksikan, dan ia tidak lagi wujud. Planet-planet yang kita lihat terbentuk ketika protostar tumbuh memulakan tarian bilion tahun mereka di sekitar bintang induk mereka. Mungkin di salah satu dunia ini, dunia yang terletak di jarak yang tepat dari bintang, air cair ada. Di dalamnya air mengandungi asam amino yang diperlukan untuk protein (semuanya terdiri dari unsur-unsur yang ditinggalkan oleh letusan bintang sebelumnya). Protein ini dapat dihubungkan bersama untuk mula membentuk rantai RNA, kemudian rantai DNA. Mungkin pada satu ketika beberapa bilion tahun setelah bintang itu dilahirkan, kita melihat spesies yang bergerak di luar angkasa melancarkan dirinya ke alam semesta, atau mungkin mereka tidak pernah mencapainya kerana pelbagai alasan dan tetap terikat dengan planet. Sudah tentu ini hanya spekulasi untuk hiburan kita. Namun, sekarang kita sampai pada akhir perjalanan kita yang bermula berbilion tahun yang lalu. Bintang mula mati.
Hidrogen pada intinya disatukan ke Helium, yang menghabiskan hidrogen dari masa ke masa; bintang kehabisan gas. Setelah bertahun-tahun, proses peleburan hidrogen mula berhenti, dan bintang mengeluarkan tenaga yang semakin sedikit. Kekurangan tekanan luar dari proses pelakuran ini menganggu apa yang kita sebut keseimbangan hidrostatik, dan membiarkan graviti (yang selalu berusaha menghancurkan bintang) untuk menang. Bintang mula menyusut dengan cepat di bawah beratnya sendiri. Tetapi, seperti yang telah kita bincangkan sebelumnya, ketika tekanan meningkat, begitu juga dengan suhu. Semua Helium yang tersisa
dari berbilion tahun peleburan hidrogen kini mula memanas di teras. Helium menyatu pada suhu yang jauh lebih panas daripada hidrogen, yang bermaksud bahawa inti kaya Helium dapat ditekan ke dalam oleh graviti tanpa menyatu (belum). Oleh kerana pelakuran tidak berlaku di inti Helium, ada sedikit atau tidak ada kekuatan luar (dilepaskan oleh peleburan) untuk mengelakkan inti runtuh. Perkara ini menjadi lebih padat, yang sekarang kita label sebagai degenerasi, dan mengeluarkan sejumlah besar haba (tenaga graviti menjadi tenaga terma). Ini menyebabkan hidrogen yang tersisa yang berada di lapisan berikutnya di atas teras Helium menyatu, yang menyebabkan bintang mengembang dengan sangat banyak kerana cangkang hidrogen ini terbakar di luar kawalan. Ini menjadikan bintang "melantun" dan mengembang dengan cepat; pelakuran yang lebih bertenaga dari cengkerang hidrogen di luar teras memperluas diameter bintang dengan sangat. Bintang kita kini menjadi gergasi merah. Sebilangan, jika tidak semua planet dalam yang kita saksikan akan terbakar dan ditelan oleh bintang yang pertama kali memberi mereka kehidupan. Sekiranya ada kehidupan di planet-planet yang tidak berjaya meninggalkan dunia asal mereka, mereka pasti akan terhapus dari alam semesta, tidak akan pernah diketahui.
Proses bintang kehabisan bahan bakar (Hidrogen pertama, kemudian Helium, dll ...) akan berlanjutan untuk sementara waktu. Akhirnya, Helium di inti akan mencapai suhu tertentu dan mulai menyatu ke Karbon, yang akan menunda keruntuhan (dan kematian) bintang. Bintang yang sedang kita tonton secara langsung dan mati adalah Bintang Urutan Utama yang bersaiz rata-rata, sehingga hidupnya berakhir setelah selesai menggabungkan Helium ke
Karbon. Sekiranya bintang itu jauh lebih besar, proses peleburan ini akan berlanjutan sehingga kita sampai di Iron. Besi adalah elemen di mana pelakuran tidak berlaku secara spontan, yang bermaksud ia memerlukan lebih banyak tenaga untuk menyatu daripada melepaskan selepas penyatuan. Walau bagaimanapun, bintang kita tidak akan pernah menjadi Besi di intinya, dan dengan itu ia telah mati setelah habis takungan Heliumnya. Apabila proses pelakuran akhirnya "mati" (kehabisan gas), bintang perlahan-lahan mulai sejuk dan lapisan luar bintang mengembang dan dikeluarkan ke angkasa. Pengusiran bahan bintang seterusnya menghasilkan apa yang kita sebut sebagai nebula planet, dan semua yang tersisa dari bintang yang sangat cemerlang yang pernah kita saksikan kini wujud hanyalah sebiji bola karbon padat yang akan terus sejuk selama selamanya, mungkin mengkristal menjadi berlian.
Kematian yang kita saksikan sekarang bukanlah satu-satunya cara bintang mati. Sekiranya bintang cukup besar, kematiannya jauh lebih ganas. Bintang itu akan meletus menjadi letupan terbesar di alam semesta, yang disebut supernova. Bergantung pada banyak pemboleh ubah, sisa bintang dapat berakhir sebagai bintang neutron, atau bahkan lubang hitam. Tetapi untuk sebilangan besar yang kita sebut sebagai Bintang Urutan Utama yang bersaiz rata-rata, kematian yang kita saksikan adalah nasib mereka.
Perjalanan kami berakhir dengan merenungkan apa yang telah kami perhatikan. Melihat apa yang boleh dilakukan oleh alam dengan keadaan yang tepat, dan melihat awan gas dan debu yang sangat sejuk berubah menjadi sesuatu yang berpotensi untuk menghidupkan alam semesta. Fikiran kita mengembara kembali ke spesies yang mungkin telah berkembang di salah satu planet tersebut. Anda memikirkan bagaimana mereka mungkin melalui fasa yang serupa dengan kita. Mungkin menggunakan bintang-bintang sebagai dewa gaib yang memimpin kepercayaan mereka selama ribuan tahun, menggantikan jawapan di mana kejahilan mereka berkuasa. Kepercayaan ini mungkin dapat berubah menjadi agama, masih memahami gagasan pemilihan khas dan pemikiran agung. Adakah bintang akan memupuk keinginan mereka untuk memahami alam semesta seperti yang dilakukan oleh bintang-bintang untuk kita? Fikiran anda kemudian memikirkan bagaimana nasib kita jika kita tidak berusaha untuk mengambil langkah seterusnya ke alam semesta. Adakah kita membiarkan spesies kita dihapus dari kosmos ketika bintang kita mengembang semasa kematiannya? Perjalanan yang baru anda buat ke jantung Nebula Gelap ini benar-benar menunjukkan apa yang dapat dilakukan oleh akal manusia, dan menunjukkan kepada anda sejauh mana kita telah sampai walaupun kita masih terikat dengan sistem suria kita. Perkara-perkara yang telah anda pelajari dijumpai oleh orang lain seperti anda hanya bertanya bagaimana perkara itu berlaku dan kemudian menjadikan pengetahuan kami mengenai fizik menjadi kosong. Bayangkan apa yang dapat kita capai sekiranya kita meneruskan proses ini; dapat mencapai tempat sepenuhnya di antara bintang-bintang.
