Jaki jest najgęstszy obiekt we wszechświecie? Najjaśniejszy? Najgłośniejszy? W swojej nowej książce Extreme Cosmos (Perigee, 2012), astronom Bryan Gaensler ujawnia kosmicznych rekordzistów tych i wielu innych tytułów. W poniższym fragmencie, z rozdziału „Ekstremalne temperatury”, Gaensler wyjaśnia fizykę stojącą za niektórymi z najgorętszych znanych gwiazd:
Wszyscy wiemy, że jeśli coś podgrzejemy, to się świeci. Poker w ogniu świeci matowy pomarańczowy lub czerwony, podczas gdy konwencjonalne (żarowe) żarówki działa poprzez podgrzewanie żarnika wolframowego do kilku tysięcy stopni tak, że świeci żółty lub biały. Są to szczególne przypadki uniwersalnego procesu po raz pierwszy właściwie wyjaśnionego przez niemieckiego fizyka Maxa Plancka: Praktycznie każdy obiekt (czy to na Ziemi, czy w kosmosie) emituje światło, a kolor tego światła jest związany z temperaturą obiektu.
Możemy zobaczyć ten efekt, znany jako „prawo promieniowania ciała czarnego Plancka”, w działaniu, gdy patrzymy na różne kolory gwiazd. Nasze Słońce jest dość przeciętną gwiazdą. Jego temperatura powierzchni wynosząca 9 900 stopni F daje żółtawe światło, tak jak przewidują równania Plancka.
Betelgeuse, jasna gwiazda w gwiazdozbiorze Oriona, jest znacznie chłodniejsza, ma około 6 900 stopni F, a więc nawet gołym okiem łatwo rozpoznać jej czerwony odcień. Najjaśniejsza gwiazda na nocnym niebie, Syriusz (znany również jako „Psia Gwiazda”), ma temperaturę powierzchni około 18 000 stopni F, co nadaje jej niebieskawy odcień.
Ale są też inne gwiazdy, niewidoczne gołym okiem, które są o wiele gorętsze od Syriusza. Jak zobaczymy nieco później w tym rozdziale, prawdziwa akcja dzieje się głęboko w jądrze gwiazdy, gdzie furia fuzji jądrowej generuje całe ciepło i światło gwiazdy przez miliardy lat. Kiedy jednak typowa gwiazda w końcu wyczerpie całe swoje paliwo, usuwa większość swoich zewnętrznych warstw do powoli rozszerzającej się skorupy gazu, odsłaniając centralne jądro. To jądro, mała gęsta kula helu, węgla i cięższych pierwiastków, nie spala już gazu w wyniku fuzji jądrowej, ale wciąż jest niewiarygodnie gorące. Ten umierający węgielek, znany jako „biały karzeł”, jest teraz jedną z najgorętszych gwiazd we Wszechświecie, tak gorącą, że rozświetla otaczający ją całun wyrzuconego gazu, tworząc wspaniały świecący obłok znany jako „mgławica planetarna”.”
Jak gorący jest więc nowo powstały biały karzeł? Obecny rekordzista znajduje się w sercu pięknej mgławicy planetarnej. Ten świecący obłok gazu, określany przez astronomów jako „NGC 6537”, ale bardziej znany jako „Mgławica Czerwony Pająk”, znajduje się około 2000 lat świetlnych od nas w kierunku gwiazdozbioru Strzelca (Sagittarius). (Jeden rok świetlny to odległość, którą możesz przebyć w ciągu jednego roku, jeśli poruszasz się z prędkością światła, czyli łącznie nieco poniżej 6 bilionów mil. Zatem 2 000 lat świetlnych to około 12 000 bilionów mil!)
Przez cały XX wiek centralny biały karzeł w Mgławicy Czerwony Pająk wymykał się wykryciu, a jego temperatura pozostawała nieznana. Istnieją dwa powody, dla których takie gwiazdy są tak trudne do dostrzeżenia. Po pierwsze, są to maleńkie obiekty pochowane w samych centrach świecących, świetlistych, otaczających je obłoków. Często jasność i złożoność mgławicy planetarnej ukrywa jej centralną gwiazdę przed widokiem.
Ale drugim powodem jest to, że paradoksalnie, ekstremalne ciepło gwiazdy samo w sobie czyni ją prawie niewidoczną. Jak widzieliśmy powyżej, prawo Plancka dotyczące promieniowania ciała czarnego dyktuje, że temperatura obiektu określa jego kolor. Syriusz, którego powierzchnia ma temperaturę 18 000 stopni F, jest tak gorący, że świeci na niebiesko.
Co się stanie, jeśli gwiazda jest jeszcze gorętsza niż niebieski Syriusz? W takich przypadkach prawo Plancka nadal obowiązuje, ale powstałe świecenie będzie miało kolor spoza zakresu, na który czułe są nasze oczy lub zwykłe teleskopy. W szczególności, obiekty znacznie gorętsze od Syriusza będą świecić w świetle ultrafioletowym lub rentgenowskim. Różne temperatury i ich związek z kolorem poprzez prawo promieniowania ciała doskonale czarnego pokazują, że pozornie odrębne zjawiska, takie jak światło ultrafioletowe i promieniowanie rentgenowskie, są tak naprawdę tylko częściami szerokiego spektrum elektromagnetycznego. Widmo elektromagnetyczne opisuje cały szereg różnych kolorów, daleko poza skrawkiem światła, które możemy zobaczyć naszymi oczami.
Białe karły są zakopane głęboko w swoich mgławicach planetarnych i są tak gorące, że nie emitują wiele światła widzialnego, ale zamiast tego promieniują głównie w ultrafioletowych i rentgenowskich częściach widma. Nie jest więc zbyt zaskakujące, że rozgrzana gwiazda w centrum Mgławicy Czerwony Pająk pozostawała niewidoczna przez wiele dekad. Sytuacja ta zakończyła się w 2005 roku, kiedy to Mikako Matsuura i współpracownicy wykorzystali potężny Kosmiczny Teleskop Hubble’a, znajdujący się na orbicie ponad ziemską atmosferą, do zidentyfikowania maleńkiej plamki światła odpowiadającej białemu karłowi w sercu Czerwonego Pająka. W tym i kolejnych badaniach astronomowie byli w stanie dokonać precyzyjnego pomiaru koloru gwiazdy, a następnie wykorzystali prawo Plancka dotyczące promieniowania ciała doskonale czarnego, aby obliczyć jej temperaturę.
Wyniki są zdumiewające – temperatura powierzchni gwiazdy w centrum Mgławicy Czerwony Pająk wynosi niewiarygodne 540 000 stopni F, ponad 50 razy gorętsza od Słońca i 30 razy gorętsza od potężnego Syriusza.
Ta niesamowita gwiazda, z jej ekstremalną temperaturą i spektakularną świecącą mgławicą, która ją otacza, jest czymś więcej niż tylko przedmiotem zainteresowania akademickiego. Wpatrując się w Czerwonego Pająka, widzimy nasz przyszły los. Za około 5 miliardów lat również Słońcu skończy się paliwo i podobnie zrzuci swoje zewnętrzne warstwy. Wszystko, co pozostanie z naszej gwiazdy i jej układu słonecznego, będzie piękną mgławicą planetarną, oświetloną przez intensywnie gorącego białego karła w jej centrum.
Przedruk z Extreme Cosmos Bryana Gaenslera po uzgodnieniu z Perigee, członkiem Penguin Group (USA) Inc.