Vad är det tyngsta objektet i universum? Den ljusaste? Det mest högljudda? I sin nya bok Extreme Cosmos (Perigee, 2012) avslöjar astronomen Bryan Gaensler de kosmiska rekordhållarna av dessa och många andra titlar. I ett utdrag nedan, från kapitlet ”Extremes of Temperature”, förklarar Gaensler fysiken bakom några av de hetaste kända stjärnorna:
Vi vet alla att om man värmer upp något så lyser det. En poker i en eld lyser matt orange eller rött, medan en vanlig glödlampa fungerar genom att värma upp en volframtråd till flera tusen grader så att den lyser gult eller vitt. Detta är specialfall av en universell process som först förklarades ordentligt av den tyske fysikern Max Planck: Praktiskt taget alla föremål (oavsett om de befinner sig på jorden eller i rymden) utstrålar ljus, och färgen på detta ljus är kopplad till föremålets temperatur.
Vi kan se denna effekt, som kallas ”Plancks lag om svartkroppsstrålning”, i aktion när vi tittar på stjärnors olika färger. Vår sol är en ganska genomsnittlig stjärna. Dess yttemperatur på 9 900 grader F resulterar i ett gulaktigt ljus, precis som Plancks ekvationer förutsäger.
Betelgeuse, en ljusstark stjärna i stjärnbilden Orion, är mycket svalare, cirka 6 900 grader F, och har därför även för blotta ögat en lätt identifierbar röd nyans. Den ljusaste stjärnan på natthimlen, Sirius (även känd som ”hundstjärnan”), har en yttemperatur på cirka 18 000 grader F, vilket ger den dess blåaktiga nyans.
Men det finns andra stjärnor, osynliga för blotta ögat, som är mycket varmare än Sirius. Som vi kommer att se lite senare i det här kapitlet sker den verkliga händelsen djupt inne i en stjärnas kärna, där kärnfusionens raseri genererar all stjärnans värme och ljus i upp till miljarder år. Men när en typisk stjärna slutligen förbrukar allt sitt bränsle, pustar den bort de flesta av sina yttre skikt till ett långsamt expanderande gasskal och blottar den centrala kärnan. Denna kärna, en liten tät boll av helium, kol och tyngre grundämnen, förbränner inte längre någon gas genom kärnfusion, men är fortfarande otroligt varm. Denna döende glöd, som kallas ”vit dvärg”, är nu en av de hetaste stjärnorna i universum, så het att den lyser upp det omgivande höljet av utspridd gas och bildar ett utsökt glödande moln som kallas ”planetarisk nebulosa”.
Hur het är en nybildad vit dvärg? Den nuvarande rekordhållaren sitter i hjärtat av en vacker planetarisk nebulosa. Detta glödande gasmoln, som av astronomer kallas ”NGC 6537” men som är mer känt som ”Red Spider Nebula”, ligger cirka 2 000 ljusår bort mot stjärnbilden Skytten. (Ett ljusår är det avstånd som du kan färdas på ett år om du rör dig med ljusets hastighet, totalt knappt 6 biljoner mil. Så 2 000 ljusår är ungefär 12 000 biljoner mil!)
Under hela 1900-talet undgick den centrala vita dvärgen i den röda spindelnebulosan att upptäckas, och dess temperatur förblev okänd. Det finns två anledningar till varför sådana stjärnor är så svåra att se. För det första är de små objekt begravda i själva centrum av glödande, lysande, omgivande moln. Ofta döljer ljusstyrkan och komplexiteten hos en planetarisk nebulosa dess centrala stjärna från synen.
Men den andra orsaken är att, paradoxalt nog, stjärnans extrema värme i sig själv gör stjärnan nästan osynlig. Som vi såg ovan dikterar Plancks lag om svartkroppsstrålning att ett föremåls temperatur bestämmer dess färg. Sirius, vars yta har en temperatur på 18 000 grader F, är så varm att den lyser blått.
Vad händer om en stjärna är ännu varmare än blå Sirius? I sådana fall gäller fortfarande Plancks lag, men den resulterande glöden kommer att ha en färg som ligger utanför det område som våra ögon eller vanliga teleskop är känsliga för. I synnerhet kommer objekt som är mycket hetare än Sirius att lysa i ultraviolett eller röntgenljus. Olika temperaturer, och deras koppling till färg genom lagen om svartkroppsstrålning, avslöjar att till synes skilda fenomen som ultraviolett ljus och röntgenstrålning i själva verket bara är delar av det breda elektromagnetiska spektrumet. Det elektromagnetiska spektrumet beskriver en hel rad olika färger, långt bortom den spricka av ljus som vi kan se med våra ögon.
Så vita dvärgar är begravda djupt inne i sina planetariska nebulosor och är så heta att de inte avger särskilt mycket synligt ljus, utan i stället strålar de huvudsakligen i de ultravioletta och röntgenstrålande delarna av spektrumet. Det är därför inte alltför förvånande att den överhettade stjärnan i centrum av den röda spindelnebulosan förblev osedd i många årtionden. Den situationen upphörde slutligen 2005, när Mikako Matsuura och kollegor använde det kraftfulla rymdteleskopet Hubble, som befinner sig i omloppsbana ovanför jordens atmosfär, för att identifiera en liten ljuspunkt som motsvarar den vita dvärgstjärnan i den röda spindelns hjärta. I denna och efterföljande studier har astronomerna kunnat göra en precisionsmätning av stjärnans färg och sedan använt Plancks lag om svartkroppsstrålning för att beräkna dess temperatur.
Resultaten är häpnadsväckande – yttemperaturen hos stjärnan i centrum av den röda spindelnebulosan är otroliga 540 000 grader F, mer än 50 gånger hetare än solen och 30 gånger hetare än den mäktiga Sirius.
Denna fantastiska stjärna, med sin extrema temperatur och den spektakulära glödande nebulosan som omger den, är av mer än bara akademiskt intresse. För när vi tittar på den röda spindeln ser vi vårt framtida öde. Om cirka 5 miljarder år från och med nu kommer även solen att få slut på bränsle och kommer på samma sätt att kasta sina yttre skikt. Allt som kommer att återstå av vår stjärna och dess solsystem kommer att vara en vacker planetarisk nebulosa, upplyst av en intensivt het vit dvärg i dess centrum.
Uttryckt ur Extreme Cosmos by Bryan Gaensler efter överenskommelse med Perigee, en medlem av Penguin Group (USA) Inc., Copyright (c) 2011 by Bryan Gaensler.