Vörös óriások, fehér törpék és pulzárok

Miért a 11 millió ⁰C a kritikus hőmérséklet?

A magyarázat az összehúzódó gáz protonjai közötti erőkkel kapcsolatos. Amikor a két protont nagy távolság választja el egymástól, elektromosan taszítják egymást, mivel minden protonnak elektromosan pozitív töltése van. De ha a protonok nagyon közel kerülnek egymáshoz, az elektromos taszítás átadja helyét a sokkal erősebb magerő vonzásának. A protonoknak ahhoz, hogy a magerő hatásos legyen, egybilliomod cm-nél közelebb kell lenni egymáshoz.
Normál körülmények között az elektromos taszítás gátként működik, és az ilyen nagymérvű közeledést megakadályozza. Kivételes erősségű ütközések során azonban a protonok áthatolnak az őket elválasztó elektromos gáton, és a nukleáris vonzás hatása alá kerülnek. A kívánt hevességű ütközések akkor lépnek fel, amikor a gáz hőmérséklete a 11 millió ⁰C -ot eléri.
Ha egyszer a két proton közötti gát az ütközés következtében átszakadt, a két részecske a nukleáris vonzás következtében felgyorsul, és egymás felé száguld. Végül az ütközés pillanatában a nukleáris vonzóerő akkora, hogy a két protont egyetlen magba egyesíti. Ugyanakkor energiájuk egy része elektromágneses hullám formájában felszabadul. Ez az energiafelszabadulás jelzi a csillag születését.
Az energia kiáramlik a gázgömb felszínére, és többek között fény formájában kisugárzódik. Ennek következtében látjuk a csillagot az égen.
Az energiafelszabadulás, amely kilogrammonként egymilliószor nagyobb, mint amennyi a TNT robbanásakor szabadul fel, megállítja a csillag összehúzódását, és az életének jó részét abban az egyensúlyban éli le, amely a nukleáris energia felszabadulásából származó kifelé ható nyomás és a gravitációs erő következtében létrejövő befelé ható nyomás között fennáll.

Két proton egyesülése egyetlen maggá csak az első lépés abban a reakciósoro- zatban, amelynek során a magerő felszabadul a csillag élete folyamán. Sorozatos ütközésben két további proton egyesül az előző kettővel, és létrejön a négy részecskét tartalmazó mag. Két proton elveszti pozitív töltését, és neutronná válik a folyamat során. Az eredmény olyan mag, amelynek két protonja és két neutronja van. Ez a héliumatom magja. A reakciósorozat a hidrogénatommagokat héliumatommagokká alakítja.
A hidrogén héliummá alakítása az első és a leghosszabb fázis a csillag nukleáris energiatermelésének történetében, életének mintegy 99%-át kitölti. A csillag életének e hosszú szakasza alatt külső formája nagyon keveset változik, de a folyamat vége felé, amikor már a proton legnagyobb része átalakult alfa-részecskékké, a csillag kezdi az öregedés első jeleit mutatni. Az áruló jelek: a külső réteg felfúvódása és vörösödése, ami kezdetben alig észlelhető, de addig tart, amíg a csillag eredeti méreténél mintegy 100-szor nagyobb, hatalmas gömbbé nem nő. A mi Napunk ezt az állapotot valószínűleg ötmilliárd év múlva éri majd el, ekkorra hatalmas gázgömbbé duzzad, amely elnyeli a Merkurt, a Vénuszt és majdnem a Föld pályájáig ér. Ez a vörös golyó bolygónkra nézve az ég legnagyobb részét kitölti majd. A Nap sugarai a Földet kb. 2200 ⁰C-ra hevítik majd fel, elpárologtatva a felszín anyagának jelentős részét.
Az ilyen felpuffadt, vörös csillagokat nevezik vörös óriásoknak a csillagászok.

A csillag addig él vörös óriásként, amíg protonkészleteit felemészti. Ha az üzemanyag elfogyott, a csillag nem tudja többé azt a nyomást előállítani, amely a gravitációjának befelé ható iszonyú erejével egyensúlyt tartana, ezért a külső rétegek a középpont felé kezdenek zuhanni. A vörös óriás összeomlik.
Az összeroppanó csillag belsejében tiszta héliummag van, amely a csillag korábbi életében a protonok fúziójából keletkezett. A He-atommagok a 11 millió ⁰C-os hőmérsékleten nem vesznek részt nehezebb magokká való egyesülési folyamatokban, mert két pozitív töltésük következtében közöttük az elektromos taszítás négyszer akkora, mint a protonok között volt. Ahhoz, hogy a két He-atommag közötti elektromos gát átszakításához elegendő heves ütközés jöjjön létre, százmillió fokos hőmérséklet szükséges.
Amint azonban a csillag összeroppan, gravitációs energiájának nagy része a részecskék mozgási energiájává alakul, tehát a rendszer belső hőmérséklete emelkedik. Közepének hőmérséklete eléri végül a százmillió fokos kritikus hőmérsékletet is. Ekkor megkezdődik a He-atommagok fúziója szénatom- magokká, miközben magenergia szabadul fel, amely újraéleszti a csillag belsejében égő tüzet. Ez az energiafelszabadulás megállítja a további gravitációs összeomlást, a kollapszust. A csillag megifjodva életre kap, miközben He-atommagokat éget C-atommagokká.

A Napunkkal azonos méretű csillagokban a He-égető szakasz mintegy százmillió évig tart. Ennek az időszaknak a végére a most már inkább He-atommagokból, mint protonokból álló üzemanyag-tartalékok ismét kimerülnek, a csillag belseje pedig C-atommagokkal kezd feltöltődni. Ezeket a magokat, amelyekben hat pozitív elektromos töltés van, még tekintélyesebb elektromos gát választja el egymástól, mint a He-atommagokat, és leküzdéséhez még hevesebb ütközésekre van szükség. A százmillió fokos hőmérséklet, amelyben a He-atommagok fúziója végbement, nem elég ahhoz, hogy a szénatommag magjai egyesüljenek. Ehhez háromszázmillió fok szükséges.
 Mivel a vörös óriás belsejében uralkodó hőmérséklet nem éri el a 300 millió fokot, a nukleáris tűz lassan kialszik, ahogy a szén felgyülemlik. A csillag most ismét szűkében lesz  azoknak az erőforrásoknak, amelyek egyensúlyt tartanak a külső rétegek nyomásával, és most újra megindul a gravitációs kontrakció.

Eddig a pontig minden csillag élete hasonlóan zajlik le, további fejlődése és haldoklása azonban attól függ, milyen a mérete és a tömege. A kis tömegű csillagok összezsugorodnak és kialszanak, míg a nagyok  gigászi robbanásban semmisülnek meg. Napunk történetesen éppen a határra esik, nem tudjuk bizonyosan, merre fordul majd a sorsa az élete végén, de azt gyanítjuk, hogy inkább kialszik.
A kis és nagy csillagok életútjának szétválását az okozza, hogy a vörös óriás korszak végén, a második kollapszus során, különböző mennyiségű energia szabadul fel. Egy kis csillagban az összeroppanás csekély mennyiségű hőt termel, és a centrum hőmérséklete nem éri el a 300 millió fokot, ami a szénatomok magjának egyesüléséhez szükséges. Így a nukleáris tüzet semmi nem éleszti fel. Ehelyett folytatódik az összeomlás, míg a csillag belsejében lévő anyag nyomása akkora nem lesz, hogy az minden további méretcsökkenésnek ellenáll. A csillag ezután mindörökre ebben az összenyomott állapotban marad. Mérete durván akkora, mint a Földdé, saját súlya préselte össze ekkorára, eredeti térfogatának mintegy milliomod részére. Ennek a rendkívül sűrű testnek a közepe tájáról vett kávéskanálnyi anyag 10 tonnát nyomna. Ha valaha ilyen csillagra találnánk, nem tudnánk leszállni e különös világra, noha felszíni hőmérséklete esetleg kellemes lehet számunkra, mert a rendkívül erős tömegvonzás hatására a látogatót saját súlya összeroppantaná.
Bár egy ilyen csillag középpontjában soha sincs akkora forróság, hogy a szénatommagok magreakciója meginduljon, felszíni hőmérséklete mégis elég magas ahhoz, hogy a csillagot szemünk fehéren izzónak lássa. Ezeket az összetöppedt, fehéren izzó csillagokat fehér törpéknek nevezzük. A fehér törpe idővel az utolsó hőkészletét is kisugározza az űrbe. Végül hőmérséklete lecsökken, és kihunyta után sötét tetemmé válik.

Egészen más sors vár a nagyméretű, nagy tömegű csillagokra. Minthogy a csillag tömege elég nagy, kollapszusa rendkívül nagy mennyiségű hőt termel, többet, mint amennyi a fehér törpe kialakulásakor keletkezik. A hőmérséklet hamarosan eléri a 300 millió fokot, amelynél a szénatommagok egyesülnek. A szénatommagok fúziója még nehezebb elemek létrejöttéhez vezet. Így keletkeznek az elemek az oxigéntől a nátriumig.
Idővel a szénüzemanyag-készletek is kiürülnek, kimerülésüket újabb kollap- szusok követik, új felmelegedés, megújult nukleáris égés, amely további elemeket hoz létre.
Így tehát kollapszus és nukleáris égés váltakozásain keresztül egy nagy tömegű csillagban minden olyan elem létrejön, amelynek rendszáma nem nagyobb a vasénál. De a vas nagyon különös elem. Ez a fém, amely a legkönnyebb és a legnehezebb elemek között valahol félúton foglal helyet, kivételesen sűrű magot tartalmaz. A neutronok és a protonok olyan sűrűn helyezkednek el benne, hogy semmiféle nukleáris reakció segítségével nem lehet energiát kipréselni belőle. A valóságban a vasmagok elnyelik a nukleáris reakció energiáját. Ha a csillag belsejében nagy tömegű vas gyűlik fel, a tüzet nem lehet feléleszteni. A csillag belső tüze kialszik, és megkezdi saját súlya alatt a végső kollapszusát.
A végső kollapszus katasztrofális esemény. A centrumban lévő vasatommagok felszippantják a csillag energiáját, nyomban, ahogy termelődik, és az összeroppanó anyag, elhanyagolható ellenállással találkozván, rendkívüli sebességgel zuhan a centrum felé, milliónyi km-t megtéve egy percnél rövidebb idő alatt. Végül felhalmozódik a centrumban roppant nyomású, sűrű tömb alakjában. Amikor a centrumban a nyomás elér egy meghatározott nagy értéket, a kollapszus folyamata leáll. Az összeomlott csillag, mint egy összenyomott rugó, pillanatnyilag csendes, aztán egy heves robbanásban feltámad.

A kollapszus és a rákövetkező robbanás alatt kialakuló hőmérséklet akár egybillió fokot is elérhet. Ekkora hőmérsékleten a robbanó csillag egyes atommagjai szétbomlanak, nagyon sok neutron szabadul ki. A neutronokat más magok befogják, nehezebb elemekké épülnek fel, például ezüstté, arannyá, uránná. Így keletkeznek a periódusos rendszer vason túli elemei a csillag életének végső pillanatában.
A robbanás kisodorja az űrbe mindazokat az elemeket, amelyet a csillag élete során előállított, egy kicsiny, gyengén fénylő mag marad hátra. A teljes epizód néhány percig tart mindössze, a kollapszus beálltától a végső robbanásig.

A robbanó csillagot szupernóvának  nevezik. A szupernóvák a Napnál sok milliószor nagyobb fényességgel ragyognak fel. Ha egy szupernóva véletlenül éppen közel van hozzánk Galaxisunkban, hirtelen jelenik meg az égbolton, úgy, mint egy csillag, fényesebb, mint bármelyik, és szabad szemmel esetleg még nappal is látható. Európában az utolsó szupernóva fellángolásokat 1572-ben és 1604-ben figyelték meg. Az egyik legrégebbi feljegyzés szupernóva robbanásról 1054-ből, kínai csillagászoktól származik. E szupernóva helyén ma nagy gázfelhő van, amelyet Rákköd néven ismerünk. Ez 1100 km/h sebességgel tágul, és annak a csillagnak a maradványait tartalmazza, amelyet ott 900 évvel ezelőtt felrobbanni láttak.

Mi lesz a szupernóva összepréselt magjával, miután külső rétegei az űrbe kirepülnek?

Erre a kérdésre a válasz 1967-ig ismeretlen volt. Ekkor fedezték fel a pulzárokat, ezeket a rendkívül érdekes égi objektumokat.
A felfedezés puszta véletlen műve. A cambridge-i egyetem egyik csillagász hallgatója azt a feladatot kapta, hogy távoli galaxisok rádióhullámainak intenzitásingadozását vizsgálja. Egyszer csak azt tapasztalta, hogy az égbolt bizonyos helyéről szabályos időközökben rövid, gyors rádiójeleket fogott fel a rádiótávcső. A jelek egymásutánja olyan volt, mint egy felgyorsított égi morzejel. A közöttük lévő szünet tartalma rendkívüli állandóságot mutatott. Nem változott többet, mint tízmilliomod résznyit. Először néhány csillagász úgy vélte, hogy más bolygók intelligens lényei sugároznak üzenetet a Földre. Csakhamar bebizonyo- sodott, hogy a rádiójelek eredete nem mesterséges, hanem természetes. E következtetés egyik legfőbb alapja az volt, hogy a jelek széles frekvenciasávban jelentkeztek. Ha egy Földön kívüli társadalom más naprendszerbe jeleket próbál küldeni, e csillagközi rádióadásoknak óriási teljesítményűeknek kell lenni ahhoz, hogy a jelek az egyes csillagokat szomszédaitól elválasztó kilométerek billióin átjussanak. Az egyetlen ésszerű út az lenne, ha minden rendelkezésre álló teljesítményt egyetlen frekvenciára koncentrálnának, ahogyan mi tesszük a rádió és a TV műsorszórásban. Pazarló, céltalan és értelmetlen lenne az adó teljesítményét széles frekvenciasávban szétszórni.
A válasz nyitjához vezető első kulcs az impulzusok élessége volt. Abból a megfigyelésből, hogy valamennyi impulzus egyszázad másodpercig vagy még kevesebb ideig tart, a csillagászok arra következtettek, hogy a pulzár hihetetlenül kicsiny csillag, sokkal kisebb, mint egy fehér törpe. E következtetést arra a tényre alapozták, hogy ha egy test elektromágneses impulzusokat bocsát ki magából, a különböző részeiről kiinduló hullámok különböző időpontokban érkeznek a Földre, ami miatt az eredeti impulzus élessége elromlik. Minél kisebb a test, annál élesebb az impulzus. Ezt az okoskodást követve a csillagászok kiszámolták, hogy a test sugara nem nagyobb 16 km-nél. Ez a következtetés megdöbbentő. Mindeddig a 10 ezer km sugarú fehér törpéket tartották a világmindenség legkisebb, legsűrűbb csillagainak.

Hogy lehet egy csillag ezerszer kisebb a fehér törpéknél?

A válasz egy néhány évtizeddel korábban megfogalmazott jóslatig nyúlik vissza. Ekkortájt néhány elméleti asztrofizikus rámutatott arra, hogy amikor egy csillag élete végén összeroppan, szupernóvaként való felrobbanása előtt anyaga a centrumban halmozódik fel, miközben nagy nyomás lép fel, sokkal nagyobb, mint amekkora a csillag saját súlya következtében annak belsejében volt. E hihetetlen nagy nyomás a csillag belsejében lévő elektronokat és protonokat arra kényszeríti, hogy neutronokká egyesüljenek. Így tisztán neutronokból álló gömb jön létre a csillag centrumában, amely alig 30 km átmérőjű, de amely a csillag eredeti anyagának legnagyobb részét magában foglalja. Ezt a feltételezett neutrongömböt nevezték neutroncsillagnak.
1965-től kezdődően a csillagászok lankadatlanul kutattak neutroncsillag után, és különös gonddal vizsgálták a Rák-köd közepe táját, ahol az 1054-ben észlelt szupernóva-robbanás magjának kellett volna lennie. De semmiféle neutron- csillagot nem találtak, így az érdeklődés csökkent.
1968-ban nagy izgalmat keltett a csillagászok között, amikor a Rák-köd közepén pulzárt fedeztek fel, pontosan azon a helyen, ahol a neutroncsillagot keresték. Hirtelen nagyon sok bizonyítékrészlet kezdett összeilleni. Neutroncsillag létezését jósolták a Rák-köd centrumában, és pulzárt találtak a Rák-köd centrumában. A neutroncsillag, valamint a pulzár az egyetlen olyan objektum, amelyről tudjuk, hogy majdnem egy egész csillag tömegét tartalmazza, mintegy 16 km sugarú gömbben. Világos, hogy a neutroncsillag és a pulzár ugyanannak a dolognak a két neve: fantasztikusan összepréselt, rendkívüli sűrűségű anyaggömbbé, amely akkor jön létre, amikor egy nagy tömegű csillag az élete végén összeroppan.

Mi hozza létre az éles, ismétlődő füttyöket, amelyről a pulzár a nevét kapta?
 

Valószínű, hogy a pulzár felszíne hatalmas viharok színhelye, amelyek évekig is eltarthatnak, és közben részecskéket és elektromágneses sugárzást lövellnek ki a térbe. A pulzár a kis mérete miatt rendkívül gyorsan forog a saját tengelye körül. Így a róla kiinduló sugárzások, mint a világítótorony forgó reflektorának fénye, úgy söpörnek végig a világűrön. Ha a Föld véletlenül e nyaláb útjába kerül, éles impulzus észlelhető a pulzár minden  egyes fordulata során.
Amikor rájöttek a neutroncsillagok, a pulzárok és szupernóvák kapcsolatára, sok csillagász úgy gondolta, hogy talán a csillagok élettörténetének utolsó lapjai is megíródtak. Mások viszont azt gyanítják, hogy legalább még egy meglepetés vár ránk, mert okunk van azt hinni, hogy a csillagok anyagának összepréselődésében a neutroncsillag nem az utolsó állomás. Bizonyos körülmények között a csillag folytatja összehúzódását a neutroncsillag-állapot után is, egyre gyorsabban és gyorsabban zuhan befelé önmagába, amíg mintegy 3 km sugarúvá össze nem húzódik. Ilyenkor a felszínen a gravitáció milliárdszor nagyobb, mint a Nap felszínén. E roppant visszahúzó erő megakadályozza a fénysugarat abban, hogy elhagyja a csillag felszínét. E pillanattól fogva a csillag láthatatlan. Fekete lyuk a térben.

A fekete lyuk belsejében az összehúzódás folytatódik, az anyag eközben a centrumban préselődik össze parányi, hihetetlen sűrű tömegben. Az elméleti fizika jelenlegi tudása szerint ez a csillag életének vége. A csillag térfogata egyre kisebb és kisebb. A 3 km sugarú gömbből akkorára zsugorodik, mint a tű hegye, aztán akkora, mint egy bacillus, és még mindig csökkenve belép azoknak a méreteknek a tartományába, amelyek kisebbek, mint amellyel az ember valaha is összekerült. Ám az ösztönünk azt súgja, hogy ilyen objektum nem létezhet. Kell lenni olyan pontnak, ahol a kollapszus leáll. De a XX. század fizikájának törvényei szerint nincs olyan hatalmas erő, amely megállíthatná a kollapszust. Ebből adódik az az igény, hogy a fizika törvényeit az igen kicsiny méretek világára módosítani kell úgy, hogy a részecskék ne kerüljenek végtelenül közel egymáshoz. És itt a figyelmeztetés arra, hogy új törvény vagy új természeti erő felfedezése áll küszöbön, amely egy napon talán sokkal nagyobb energiák felszabadításához vezet majd el, mint a magenergia. Egy ilyen felfedezés a jövő világát éppúgy átalakítaná, ahogy a magerők felfedezése átalakította a XX. század világát.