Tähti — mikä se on? Ydinfuusio, Aurinko ja tähtien elinkaaret
Tutustu tähtiin: mitä tähti on, miten ydinfuusio ja Aurinko tuottavat energiaa sekä tähtien elinkaaret alusta punaiseen jättilääseen — selkeä, havainnollinen opas.
Tähti on hyvin suuri, kirkkaasti hehkuva ja kuuma pallo avaruudessa. Sen pääosa on ionisoitunutta ainetta, jota kutsutaan plasmaksi. Tähti pysyy koossa oman massansa ja painovoiman tasapainon kautta: painovoima pyrkii vetämään tähden ainetta kohti keskustaa, kun taas sisällä syntyvä paine pyrkii työntämään ainetta ulospäin. Tähti säteilee lämpöä ja valoa sekä muuta sähkömagneettista säteilyä, koska sen sisäosa on erittäin kuuma.
Aurinko on aurinkokunnan keskellä oleva tähti. Se on meille lähin tähti, ja sen valo ja lämpö tekevät mahdolliseksi elämän maapallolla. Monet muut tähdet kauempana ovat olosuhteiltaan ja kooltaan erilaisia, mutta perusperiaate — kuuma plasma säteilee energiaa — on sama.
Miten tähti tuottaa energiaa?
Tähden massa (sen massa) ja keskustan korkea paine ja lämpötila käynnistävät siellä ydinreaktioita. Useimmissa tähdissä reaktio muuttaa pääasiassa vedyn heliumiksi, ja tämä prosessi tuottaa suuria määriä energiaa. Auringon kaltaisissa tähdissä tärkein reaktio on niin sanottu protoniprotonekaava (p-p-ketju), kun taas hyvin massiivisissa tähdissä merkittävä rooli voi olla CNO-syklillä.
Reaktioiden aikana osa massasta muuttuu energiaksi (E = mc² -periaate), ja tämä energia siirtyy tähden uloimmille kerroksille ja lopulta avaruuteen valona ja muuna säteilynä. Tällainen ydinfuusioprosessi tekee tähdistä kuumia ja valovoimaisia.
Auringon kaltainen tähti ja ydinfuusio
Auringon kaltaiset tähdet ovat kuumia juuri siksi, että niiden sisällä tapahtuvaa reaktiota kutsutaan ydinfuusioksi. Ydinfuusio ei ainoastaan tuota lämpöä ja valoa, vaan myös synnyttää uusia, raskaampia kemiallisia alkuaineita. Auringossa (mutta ei kaikissa tähdissä) ytimessä syntyy pääasiassa heliumia vedystä ja vain hyvin pieniä määriä vielä raskaampia alkuaineita. Suurissa, massiivisissa tähdissä fuusioreaktiot voivat jatkua aina raskaampien alkuaineiden muodostumiseen saakka, aina rautaan asti; sitä raskaampien alkuaineiden synty usein vaatii tähtiromahduksen eli supernovan olosuhteet.
Energiansiirto ja säteily
Tähdissä on runsaasti vetyä, ja juuri sen fuusiointi on pääenergianlähde suurimman osan elinkaaren ajan. Fuusio muuttaa vedyn heliumiksi, ja syntynyt energia nostaa tähden sisäosia hyvin kuumiksi. Energia kulkeutuu kohti tähden pintaa joko säteily- tai konvektiokerroksessa, riippuen tähden ominaisuuksista. Lopulta se säteilee avaruuteen: suuri osa energiasta näkyy valona ja muu osa eri aallonpituuksien sähkömagneettisena säteilynä (esimerkiksi infrapuna, ultravioletti, röntgen). Lisäksi osan energiasta vievät neutrinosäteily ja esimerkiksi Auringon tapauksessa eri hiukkasvirrat (aurinkotuuli).
Tähtien elinkaaret ja lopputilat
Tähtien elinkaari riippuu eniten niiden massasta. Pääpiirteet:
- Kevyemmät tähdet (esim. punaiset kääpiöt) kuluttavat vedyvaransa hitaasti ja voivat elää satoja miljardeja vuosia.
- Keskitason massaiset tähdet (kuten Aurinko) viettävät suuren osan elämästään niin sanotulla pääsarjalla, jossa vety palaa heliumiksi. Kun ydinvety loppuu, tähti laajenee ja muuttuu ensin punaiseksi jättiläiseksi ja lopulta jättää ulommat kerroksensa muodostaen planetaarisen sumun, kun taas ytimestä jää jäljelle tiivis valkoinen kääpiö.
- Hyvin massiiviset tähdet käyvät läpi sarjan fuusiovaiheita syntetisoiden yhä raskaampia alkuaineita. Lopussa rautaatomin ydin ei enää tuota energiaa fuusion kautta, jolloin tähti voi romahtaa ja räjähtää supernovana. Tällöin jäljelle jää joko neutronitähti tai hyvin massiivisessa tapauksessa musta aukko.
Kun Auringon kaltainen tähti vanhenee, se laajenee ja muuttuu punaiseksi jättiläistähdeksi. Tämä tapahtuu noin miljardin vuoden kuluttua — todellisuudessa punaisen jättilään vaihe Auringon kohdalla odotetaan alkavaksi muutaman miljardin vuoden kuluttua; Auringon pääsarjakauden loppu on arvioitu luokkaa 5 × 109 vuoden päästä ja koko pääsarjan kesto noin 10 × 109 vuotta.
Muita seikkoja
Tähtien väri ja lämpötila vaihtelevat: kuumimmat tähdet paistavat sinivalkoisina ja viileämmät punertavina. Tähdet voivat esiintyä yksinään tai muodostaa kaksois- ja moninkertaisia järjestelmiä. Kun katsomme tähtiä yötaivaalla, näemme niiden valon, joka on matkannut valoajan verran — kaukaisimmat näkyvät tähdet ovat valoa, joka on lähtenyt vuosia, satoja tai miljoonia vuosia sitten.
Lyhyesti: tähti on plasmaa sisältävä massiivinen kappale, jonka sisällä tapahtuvat ydinfuusioreaktiot tuottavat energiaa. Tähdet syntyvät, elävät ja kuolevat eri tavoilla riippuen niiden massasta, ja niiden kautta syntyvät alkuaineet muodostavat lopulta maailmankaikkeuden kemiallisen monimuotoisuuden.
Tähtiä muodostava alue Suuressa Magellanin pilvessä. NASA/ESA:n kuva
Avoin tähtijoukko Pismis 24 on tähtisumussa NGC 6357. Siinä on joitakin suurimmista tunnetuista tähdistä. Pismis 24-1:n massa on lähes 300 kertaa Aurinkoa suurempi. Se on ainakin kolmen tähden moninkertainen järjestelmä. Pilvien oudot muodot johtuvat näiden valtavien, kuumien tähtien lähettämästä valtavasta säteilystä. Tässä kuvassa on yhdistetty kolmen eri suodattimen kuvatietoja näkyvässä valossa ESO:n La Silla -observatorion 1,5-metrisestä tanskalaisesta teleskoopista Chilessä.
Rapusumu, supernovan jäänteet, jotka nähtiin ensimmäisen kerran noin 1050 jKr.
Maan aurinko
Maata lähimpänä oleva tähti on Aurinko. Auringon energia tukee lähes kaikkea elämää maapallolla tarjoamalla valoa kasveille. Kasvit muuttavat valon energiaksi prosessissa, jota kutsutaan fotosynteesiksi. Auringon energia aiheuttaa myös sään ja ilmankosteuden maapallolla.
Voimme nähdä muita tähtiä yötaivaalla, kun aurinko laskee. Ne koostuvat Auringon tavoin enimmäkseen vedystä ja hieman heliumista sekä muista alkuaineista. Tähtitieteilijät vertaavat usein näitä muita tähtiä Aurinkoon. Niiden massa ilmoitetaan esimerkiksi aurinkomassoina. Pieni tähti voi olla 0,2 aurinkomassaa, suuri 4,0 aurinkomassaa.
Planeetat
Maa ja muut planeetat liikkuvat Auringon ympäri (kiertoradalla). Aurinkoa ja kaikkia Aurinkoa kiertäviä asioita kutsutaan aurinkokunnaksi. Monia muita tähtiä kiertävät planeetat: näitä planeettoja kutsutaan eksoplaneetoiksi. Jos olisit eksoplaneetalla, Aurinkomme näyttäisi tähdeltä taivaalla, mutta et näkisi Maata, koska se olisi liian kaukana.
Numerot, etäisyydet
Proxima Centauri on Aurinkoa lähimpänä oleva tähti. Se on 39,9 biljoonan kilometrin päässä. Se on 4,2 valovuoden päässä. Tämä tarkoittaa sitä, että Proxima Centaurilta tuleva valo saavuttaa Maan 4,2 vuodessa.
Tähtitieteilijät uskovat, että maailmankaikkeudessa on hyvin suuri määrä tähtiä. Havaittavissa olevassa maailmankaikkeudessa on yli 2 biljoonaa (1012 ) galaksia ja kaiken kaikkiaan arviolta jopa 1×1024 tähteä (enemmän tähtiä kuin kaikki maapallon hiekanjyvät). Toisin sanoen 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 tähteä, mikä on moninkertainen määrä verrattuna Linnunradan (meidän galaksimme) muutamaan sataan miljardiin tähteen.
Useimmat tähdet ovat hyvin vanhoja. Niiden iäksi arvellaan yleensä 1 miljardin ja 10 miljardin vuoden välillä. Vanhimmat tähdet ovat 13,7 miljardia vuotta vanhoja. Se on yhtä vanha kuin maailmankaikkeus. Jotkut nuoret tähdet ovat vain muutaman miljoonan vuoden ikäisiä. Nuoret tähdet ovat useimmiten kirkkaampia kuin vanhat tähdet.
Tähdet ovat erikokoisia. Pienimmät tähdet ovat neutronitähtiä, jotka ovat itse asiassa kuolleita tähtiä. Ne eivät ole kaupunkia suurempia. Neutronitähdessä on suuri määrä massaa hyvin pienessä tilassa.
Hyperjättiläistähdet ovat maailmankaikkeuden suurimpia tähtiä. Niiden halkaisija on yli 1 500 kertaa suurempi kuin Auringon. Jos Aurinko olisi hyperjättiläistähti, se ulottuisi Jupiterin etäisyydelle.
Betelgeuse-tähti on punainen superjättiläistähti. Vaikka nämä tähdet ovat hyvin suuria, niiden tiheys on myös pieni.
Jotkut tähdet näyttävät kirkkaammilta kuin toiset tähdet. Tämä ero mitataan näennäisenä magnitudina. On kaksi syytä, miksi tähdet ovat eri kirkkaudeltaan erilaisia. Jos tähti on hyvin lähellä meitä, se näyttää paljon kirkkaammalta. Tämä on aivan kuten kynttilän kohdalla. Kynttilä, joka on lähellä meitä, näyttää kirkkaammalta. Toinen syy siihen, että tähti voi näkyä kirkkaampana, on se, että se on kuumempi kuin toinen viileämpi tähti.
Tähdet säteilevät valoa mutta myös aurinkotuulta ja neutriinoja. Nämä ovat hyvin pieniä ainehiukkasia.
Tähdet on tehty massasta, ja massa muodostaa painovoiman. Painovoima saa planeetat kiertämään tähtiä. Siksi Maa kiertää Aurinkoa. Kahden tähden painovoima voi saada ne kiertämään toisiaan. Toisiaan kiertäviä tähtiä kutsutaan kaksoistähdiksi. Tutkijat uskovat, että kaksoistähtiä on paljon. On jopa kolmen tai useamman tähden ryhmiä, jotka kiertävät toisiaan. Proxima Centauri on pieni tähti, joka kiertää muita tähtiä.
Tähdet eivät ole jakautuneet tasaisesti koko avaruuteen. Ne on ryhmitelty galakseihin. Yksi galaksi sisältää satoja miljardeja tähtiä.
Tähdet ovat monenkokoisia. Tähti, jota planeetta PSR B1257+12 B kiertää, on vain 20 kilometriä suuri, mutta VY Canis Majoris on 2,8 miljardia kilometriä suuri.
Tähtien näkemisen historia
Tähdet ovat olleet tärkeitä ihmisille kaikkialla maailmassa koko historian ajan. Tähdet ovat olleet osa uskonnollisia käytäntöjä. Kauan sitten ihmiset uskoivat, etteivät tähdet voi koskaan kuolla.
Tähtitieteilijät järjestivät tähdet ryhmiin, joita kutsutaan tähtikuvioiksi. He käyttivät tähtikuvioita apuna nähdäkseen planeettojen liikkeet ja arvatakseen auringon sijainnin. Auringon ja tähtien liikettä käytettiin kalenterien laatimiseen. Maanviljelijät käyttivät kalentereita päättääkseen, milloin sato kylvetään ja milloin se korjataan.
Ihmiset ovat nähneet kuvioita tähdissä jo kauan sitten. Tämä vuodelta 1690 peräisin oleva kuva on Johannes Heveliuksen kuvittama Leijonan tähtikuvio.
Tähtien elämä
Tähdet syntyvät tähtisumuissa. Nämä ovat alueita, joissa on enemmän kaasua kuin tavallisessa avaruudessa. Painovoima vetää tähtisumun kaasua yhteen. Orionin tähtisumu on esimerkki paikasta, jossa kaasu kokoontuu yhteen muodostaakseen tähtiä.
Tähdet viettävät suurimman osan elämästään yhdistämällä (fuusioimalla) vetyä vedyn kanssa energian tuottamiseksi. Kun vetyä fuusioidaan, siitä syntyy heliumia, ja siitä saadaan paljon energiaa. Jotta vety voisi fuusioitua heliumiksi, sen on oltava hyvin kuumaa ja paineen on oltava hyvin korkea. Fuusiota tapahtuu tähtien keskellä, jota kutsutaan "ytimeksi".
Pienimmät tähdet (punaiset kääpiöt) sulattavat vetyä hitaasti ja elävät 100 miljardia vuotta. Punaiset kääpiöt elävät kauemmin kuin mikään muu tähtityyppi. Elinkaarensa lopussa ne himmenevät ja himmenevät. Punaiset kääpiöt eivät räjähdä.
Kun erittäin raskaat tähdet kuolevat, ne räjähtävät. Tätä räjähdystä kutsutaan supernovaksi. Kun supernova tapahtuu tähtisumussa, räjähdys työntää sumussa olevaa kaasua yhteen. Tämä tekee tähtisumun kaasusta hyvin tiheää (paksua) . Sekä painovoima että räjähtävät tähdet auttavat kaasua kokoontumaan yhteen, jotta tähtisumuun syntyy uusia tähtiä.
Useimmat tähdet kuluttavat vedyn ytimestään. Tällöin niiden ydin pienenee ja kuumenee. Se kuumenee niin, että se työntää pois tähden ulomman osan. Ulompi osa laajenee, ja siitä muodostuu punainen jättiläistähti. Astrofyysikot uskovat, että Aurinko on punainen jättiläinen noin 5 miljardin vuoden kuluttua. Aurinkomme tulee olemaan niin suuri, että se syö maapallon. Kun Aurinkomme lakkaa käyttämästä vetyä energian tuottamiseen, se käyttää heliumia erittäin kuumassa ytimessään. Siitä tulee kuumempi kuin silloin, kun se sulatti vetyä. Raskaat tähdet tuottavat myös heliumia raskaampia alkuaineita. Kun tähti tuottaa yhä raskaampia alkuaineita, se tuottaa yhä vähemmän energiaa. Rauta on raskas alkuaine, jota syntyy raskaissa tähdissä.
Meidän tähtemme on keskivertotähti. Keskimääräiset tähdet työntävät uloimmat kaasunsa pois. Kaasu, jota se työntää pois, muodostaa pilven, jota kutsutaan planetaarisumuksi. Tähden ydinosa jää jäljelle. Se on Maan kokoinen pallo, jota kutsutaan valkoiseksi kääpiöksi. Se hiipuu mustaksi kääpiöksi hyvin pitkän ajan kuluessa.
Myöhemmin suurissa tähdissä raskaammat alkuaineet syntyvät fuusion avulla. Lopuksi tähti räjähtää supernovassa. Useimmat asiat tapahtuvat maailmankaikkeudessa niin hitaasti, ettemme huomaa niitä. Supernovaräjähdykset tapahtuvat kuitenkin vain 100 sekunnissa. Kun supernova räjähtää, sen välähdys on yhtä kirkas kuin 100 miljardia tähteä. Kuoleva tähti on niin kirkas, että sen voi nähdä päivälläkin. Supernova tarkoittaa "uutta tähteä", koska ihmiset luulivat sen olevan uuden tähden alku. Nykyään tiedämme, että supernova on vanhan tähden kuolema. Räjähdys työntää tähden kaasun pois. Se muodostaa jättimäisen kaasupilven, jota kutsutaan planetaarisumuksi. Rapusumu on hyvä esimerkki. Jäljelle jää vain neutronitähti. Jos tähti oli hyvin raskas, tähti muodostaa mustan aukon. Mustan aukon painovoima on äärimmäisen voimakas. Se on niin voimakasta, että mustasta aukosta ei pääse edes valo pois.
Raskaimmat alkuaineet syntyvät supernovan räjähdyksessä. Kun kaasu ja pöly ovat leijuneet avaruudessa miljardeja vuosia, ne yhdistyvät ja muodostavat uusia tähtiä ja planeettoja. Suuri osa avaruuden kaasusta ja pölystä on peräisin supernovista. Aurinkomme, maapallomme ja kaikki elävät olennot on tehty tähtipölystä.
Värit
Tähtitieteilijät ovat jo vuosisatojen ajan tienneet, että tähdillä on erilaisia värejä. Kun tarkastellaan sähkömagneettista spektriä, ultraviolettiaallot ovat lyhimpiä ja infrapuna-aallot pisimpiä. Näkyvän spektrin aallonpituudet ovat näiden kahden ääripään välissä.
Nykyaikaisilla laitteilla voidaan mitata tähden väri hyvin tarkasti. Näin tähtitieteilijät voivat määrittää tähden lämpötilan, koska kuumemman tähden mustan kappaleen säteilyllä on lyhyemmät aallonpituudet. Kuumimmat tähdet ovat sinisiä ja violetteja, sitten valkoisia, sitten keltaisia ja viileimmät punaisia. Kun tähtitieteilijät tuntevat värin ja absoluuttisen magnitudin, he voivat sijoittaa tähden Hertzsprung-Russell-diagrammiin ja arvioida sen asuinkelpoisen vyöhykkeen ja muita sitä koskevia tietoja.
Esimerkiksi aurinkomme on valkoinen, ja maapallo on elämän kannalta täydellisen kaukana. Jos Aurinkomme olisi kuumempi, sininen tähti, Maan olisi kuitenkin oltava paljon kauempana, tai muuten se olisi liian kuuma veden ja elämän ylläpitämiseksi.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on tähti?
A: Tähti on hyvin suuri plasmasta koostuva kirkkaasti hehkuvan kuuman aineen pallo avaruudessa, jota painovoima pitää yhdessä.
K: Miten tähdet tuottavat lämpöä ja valoa?
V: Tähdet tuottavat lämpöä ja valoa, koska ne ovat hyvin kuumia niiden sisällä tapahtuvan ydinreaktion vuoksi.
K: Millainen ydinreaktio tapahtuu tähtien sisällä?
V: Tähtien sisällä tapahtuvaa ydinreaktiota kutsutaan ydinfuusioksi, joka muuttaa vedyn heliumiksi ja tuottaa energiaa valon ja lämmön muodossa.
K: Mitä alkuaineita syntyy tässä ydinfuusioprosessissa?
V: Ydinfuusiossa syntyy suurempia kemiallisia alkuaineita, kuten heliumia, ja pieniä määriä raskaampia alkuaineita.
K: Mitä alkuaineita tähdessä on paljon?
V: Tähdissä on paljon vetyä.
K: Miten tähtien tuottama energia siirtyy pois tähdistä?
V: Tähtien tuottama energia siirtyy pois tähdistä sähkömagneettisen säteilyn, kuten valon, muodossa.
K: Mitä auringolle tapahtuu, kun se vanhenee?
V: Kun Aurinko vanhenee, se laajenee ja muuttuu punaiseksi jättiläistähdeksi, mikä tapahtuu noin miljardin vuoden (109 vuoden) kuluttua.
Etsiä