CZERWONY KARZEŁ: ODKRYCIE, CHARAKTERYSTYKA, EWOLUCJA, SKŁAD - ARTE - 2025

Czerwony karzeł jest mały, super gwiazda, której masa wynosi między 0,08 i 0,8 razy masa Słońca Są najbardziej obfite i najdłużej żyjących gwiazd wszechświata: do trzech czwartych wszystkich znanych do tej pory. Ze względu na niską jasność nie można ich obserwować gołym okiem, mimo że są liczne w pobliżu Słońca: z 30 pobliskich gwiazd 20 to czerwone karły.

Najbardziej godną uwagi ze względu na bliskość nas jest Proxima Centauri w gwiazdozbiorze Centaura, oddalonym o 4,2 lat świetlnych. Został odkryty w 1915 roku przez szkockiego astronoma Roberta Innesa (1861-1933).

Rysunek 1. Czerwony karzeł Proxima Centauri jest częścią układu gwiazd Alfa Centauri w konstelacji Centauri. Źródło: ESA / Hubble i NASA za pośrednictwem Wikimedia Commons.

Jednak zanim odkryto Proxima Centauri, teleskop francuskiego astronoma Josepha de Lalande (1732-1802) znalazł już czerwonego karła Lalande 21185 w konstelacji Wielkiej Niedźwiedzicy.

Termin „czerwony karzeł” jest używany w odniesieniu do różnych klas gwiazd, w tym tych o typach widmowych K i M, a także brązowych karłów, gwiazd, które tak naprawdę nie są takie, ponieważ nigdy nie miały wystarczającej masy, aby uruchomić swój reaktor wewnętrzny.

Typy widmowe odpowiadają temperaturze powierzchni gwiazdy, a jej światło rozpada się na szereg bardzo charakterystycznych linii.

Na przykład typ widmowy K ma temperaturę od 5000 do 3500 K i odpowiada gwiazdom żółto-pomarańczowym, podczas gdy temperatura typu M jest mniejsza niż 3500 K i są to gwiazdy czerwone.

Nasze Słońce jest typu widmowego G, koloru żółtego i ma temperaturę powierzchni od 5000 do 6000 K. Gwiazdy o określonym typie widmowym mają wiele cech wspólnych, z których najważniejszym jest masa. Odpowiednio do masy gwiazdy, tak samo będzie z jej ewolucją.

Charakterystyka czerwonych karłów

Czerwone karły mają pewne cechy, które je odróżniają. O niektórych już wspomnieliśmy na początku:

-Mały rozmiar.

-Niska temperatura powierzchni.

-Niskie tempo spalania materiału.

-Niska jasność.

Masa

Masa, jak powiedzieliśmy, jest głównym atrybutem definiującym kategorię, do której dociera gwiazda. Czerwone karły są tak liczne, ponieważ powstaje więcej gwiazd o małej masie niż masywnych.

Co ciekawe, czas potrzebny do powstania gwiazd o małej masie jest dłuższy niż w przypadku gwiazd bardzo masywnych. Rosną one znacznie szybciej, ponieważ siła grawitacji, która zagęszcza materię w środku, jest większa, im więcej jest masy.

Wiemy też, że do zainicjowania reakcji fuzji potrzebna jest określona ilość masy krytycznej, aby temperatura była odpowiednia. W ten sposób gwiazda rozpoczyna dorosłe życie.

Słońce powstało przez dziesiątki milionów lat, ale gwiazda 5 razy większa potrzebuje mniej niż miliona lat, podczas gdy te najbardziej masywne mogą zacząć świecić w setkach tysięcy.

Temperatura

Temperatura powierzchni jest, jak już wspomniano, kolejną ważną cechą definiującą czerwone karły. Powinien być mniejszy niż 5000K, ale nie mniejszy niż 2000K, w przeciwnym razie jest zbyt fajnie, aby być prawdziwą gwiazdą.

Obiekty gwiazdowe o temperaturze poniżej 2000 K nie mogą mieć jądra fuzyjnego i są gwiazdami abortowanymi, które nigdy nie osiągnęły masy krytycznej: brązowymi karłami.

Głębsza analiza linii widmowych może zapewnić różnicę między czerwonym a brązowym karłem. Na przykład, dowody litu sugerują, że jest to czerwony karzeł, ale jeśli jest to metan lub amoniak, prawdopodobnie jest to brązowy karzeł.

Typy widmowe i diagram Hertzsprunga-Russella

Diagram Hertzsprunga-Russella (diagram HR) to wykres przedstawiający charakterystykę i ewolucję gwiazdy zgodnie z jej charakterystyką widmową. Obejmuje to temperaturę powierzchni, która, jak powiedzieliśmy, jest decydującym czynnikiem, a także jej jasność.

Zmienne składające się na wykres to jasność na osi pionowej i efektywna temperatura na osi poziomej. Został stworzony niezależnie na początku XX wieku przez astronomów Ejnara Hertzsprunga i Henry'ego Russella.

Rysunek 2. Wykres HR przedstawiający czerwone karły w sekwencji głównej, w prawym dolnym rogu. Źródło: Wikimedia Commons. TO.

Zgodnie z ich widmem gwiazdy są pogrupowane zgodnie z klasyfikacją widmową Harvardu, wskazującą temperaturę gwiazdy w następującej kolejności liter:

OBAFGKM

Rozpoczynamy od najgorętszych gwiazd typu O, a najzimniejszych to typu M. Na rysunku typy widmowe znajdują się na dole wykresu, na niebieskim pasku po lewej stronie, aż do osiągnięcia czerwony po prawej stronie.

W obrębie każdego typu istnieją wariacje, ponieważ linie widmowe mają różną intensywność, a następnie każdy typ jest podzielony na 10 podkategorii, oznaczonych liczbami od 0 do 9. Im niższa liczba, tym gorętsza gwiazda. Na przykład Słońce jest typu G2, a Proxima Centauri to M6.

Centralny obszar wykresu, który przebiega mniej więcej po przekątnej, nazywany jest ciągiem głównym. Większość gwiazd tam jest, ale ich ewolucja może doprowadzić do ich opuszczenia i umieszczenia w innych kategoriach, takich jak czerwony olbrzym lub biały karzeł. Wszystko zależy od masy gwiazdy.

Życie czerwonych karłów zawsze toczy się w głównej sekwencji, a jeśli chodzi o typ widmowy, nie wszystkie karły klasy M są czerwonymi karłami, chociaż większość nimi jest. Ale w tej klasie są także nadolbrzymy, takie jak Betelgeuse i Antares (prawy górny róg wykresu HR).

Ewolucja

Życie każdej gwiazdy zaczyna się wraz z zapadnięciem się materii międzygwiazdowej w wyniku działania grawitacji. Gdy materia aglutynuje, obraca się coraz szybciej i spłaszcza się w dysk, dzięki zachowaniu pędu. W centrum znajduje się protogwiazda, embrion, by tak rzec, przyszłej gwiazdy.

W miarę upływu czasu temperatura i gęstość rosną, aż do osiągnięcia masy krytycznej, w której reaktor termojądrowy rozpoczyna swoją działalność. Jest to źródło energii gwiazdy w jej nadchodzących czasach i wymaga temperatury rdzenia około 8 milionów K.

Zapłon w jądrze stabilizuje gwiazdę, ponieważ kompensuje siłę grawitacji, powodując równowagę hydrostatyczną. Wymaga to masy od 0,01 do 100 mas Słońca. Jeśli masa jest większa, przegrzanie spowodowałoby katastrofę, która zniszczyłaby protogwiazdę.

Rysunek 3. Na czerwonym karle fuzja wodoru w jądrze równoważy siłę grawitacji. Źródło: F. Zapata.

Po uruchomieniu reaktora termojądrowego i osiągnięciu równowagi, gwiazdy przechodzą do głównej sekwencji diagramu HR. Czerwone karły bardzo wolno wydzielają energię, więc ich wodór wystarcza na długi czas. Sposób, w jaki czerwony karzeł emituje energię, odbywa się poprzez mechanizm konwekcji.

Energetyczna konwersja wodoru do helu zachodzi w czerwonych karłach za pomocą łańcuchów protonowo-protonowych, sekwencji, w której jeden jon wodorowy łączy się z drugim. Temperatura ma duży wpływ na sposób, w jaki zachodzi ta fuzja.

Po wyczerpaniu wodoru reaktor gwiazdy przestaje działać i rozpoczyna się proces powolnego chłodzenia.

Łańcuch protonowo-protonowy

Ta reakcja jest bardzo powszechna w gwiazdach, które właśnie dołączyły do ​​głównej sekwencji, a także u czerwonych karłów. Zaczyna się tak:

¹ ₁ H + ¹ ₁ H → ² ₁ H + e ⁺ + ν

Gdzie e ⁺ jest pozytonem, identycznym we wszystkim z elektronem, z wyjątkiem tego, że jego ładunek jest dodatni, a ν jest neutrinem, lekką i nieuchwytną cząstką. Z kolei ² ₁ H to deuter lub ciężki wodór.

Wtedy to się dzieje:

¹ ₁ H + ² ₁ H → ³ ₂ He + γ

W tym drugim przypadku γ symbolizuje foton. Obie reakcje występują dwukrotnie, w wyniku czego:

³ ₂ He + ³ ₂ He → ⁴ ₂ He + 2 ( ¹ ₁ H)

W jaki sposób gwiazda wytwarza w ten sposób energię? Cóż, istnieje niewielka różnica w masie reakcji, niewielka utrata masy, która jest przekształcana w energię zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina:

E = mc ²

Ponieważ reakcja ta zachodzi niezliczoną ilość razy z udziałem ogromnej liczby cząstek, uzyskana energia jest ogromna. Ale to nie jedyna reakcja zachodząca wewnątrz gwiazdy, chociaż najczęściej występuje u czerwonych karłów.

Czas życia gwiazdy

To, jak długo żyje gwiazda, zależy również od jej masy. Poniższe równanie jest oszacowaniem tego czasu:

T = M ^-2,5

Tutaj T to czas, a M to masa. Stosowanie wielkich liter jest właściwe ze względu na czas i ogrom masy.

Gwiazda taka jak Słońce żyje około 10 miliardów lat, ale gwiazda 30-krotnie większa od Słońca żyje 30 milionów lat, a inna, jeszcze masywniejsza, może żyć około 2 miliony lat. Tak czy inaczej, dla ludzi to wieczność.

Czerwone karły żyją znacznie dłużej, dzięki oszczędnemu zużyciu paliwa jądrowego. Pod względem czasu, jakiego doświadczamy, czerwony karzeł trwa wiecznie, ponieważ czas potrzebny do wyczerpania wodoru z jądra przekracza szacowany wiek Wszechświata.

Żadne czerwone karły jeszcze nie umarły, więc wszystko, co można spekulować na temat tego, jak długo żyją i jaki będzie ich koniec, to symulacje komputerowe modeli stworzonych na podstawie posiadanych przez nas informacji.

Zgodnie z tymi modelami naukowcy przewidują, że gdy czerwony karzeł skończy się wodorem, przekształci się w niebieskiego karła.

Nikt nigdy nie widział takiej gwiazdy, ale gdy wodór się zużywa, czerwony karzeł nie rozszerza się do postaci czerwonego olbrzyma, jak pewnego dnia nasze Słońce. Po prostu zwiększa swoją radioaktywność, a wraz z nią temperaturę powierzchni, zmieniając kolor na niebieski.

Skład czerwonych karłów

Skład gwiazd jest bardzo podobny, w większości są to ogromne kule wodoru i helu. Zachowują niektóre pierwiastki obecne w gazie i pyle, które je dały, więc zawierają również ślady pierwiastków, które poprzednie gwiazdy pomogły stworzyć.

Z tego powodu skład czerwonych karłów jest podobny do składu Słońca, chociaż linie widmowe różnią się znacznie ze względu na temperaturę. Jeśli więc gwiazda ma słabe linie wodoru, nie oznacza to, że brakuje jej tego pierwiastka.

Na czerwonych karłach widać ślady innych cięższych pierwiastków, które astronomowie nazywają „metalami”.

W astronomii definicja ta nie pokrywa się z tym, co jest powszechnie rozumiane jako metal, ponieważ jest tu używane w odniesieniu do dowolnego pierwiastka, z wyjątkiem wodoru i helu.

Trening

Proces powstawania gwiazd jest złożony i wpływa na niego wiele zmiennych. Jest jeszcze wiele nieznanych informacji na temat tego procesu, ale uważa się, że jest on taki sam dla wszystkich gwiazd, jak opisano w poprzednich częściach.

Czynnikiem, który określa rozmiar i kolor gwiazdy, związany z jej temperaturą, jest ilość materii, którą jest w stanie dodać dzięki sile grawitacji.

Kwestią, która niepokoi astronomów i która pozostaje do wyjaśnienia, jest fakt, że czerwone karły zawierają pierwiastki cięższe od wodoru, helu i litu.

Z jednej strony teoria Wielkiego Wybuchu przewiduje, że pierwsze powstałe gwiazdy muszą składać się tylko z trzech najlżejszych pierwiastków. Jednak ciężkie pierwiastki wykryto u czerwonych karłów.

A jeśli jeszcze żadne czerwone karły nie umarły, oznacza to, że pierwsze czerwone karły, które się utworzyły, muszą gdzieś tam być, wszystkie złożone z elementów świetlnych.

Wtedy czerwone karły mogły powstać później, ponieważ do ich stworzenia wymagana jest obecność ciężkich pierwiastków. Albo że istnieją czerwone karły pierwszej generacji, ale są tak małe i mają tak niską jasność, że nie zostały jeszcze odkryte.

Przykłady czerwonych karłów

Następny Centauri

Jest odległa o 4,2 roku świetlnego i ma masę równą jednej ósmej Słońca, ale jest 40 razy gęstsza. Proxima ma silne pole magnetyczne, co powoduje, że jest podatna na rozbłyski.

Proxima ma również co najmniej jedną znaną planetę: Proxima Centauri b, odsłoniętą w 2016 r. Uważa się jednak, że została ona zmieciona przez rozbłyski, które często emituje gwiazda, więc jest mało prawdopodobne, aby żyło tam życie, a przynajmniej nie tak wiemy, ponieważ emisje gwiazdy zawierają promienie rentgenowskie.

Gwiazda Barnarda

Rysunek 4. Porównanie rozmiarów Słońca, gwiazdy Barnarda i Jowisza. Źródło: Wikimedia Commons.

Jest to bardzo bliski czerwony karzeł, oddalony o 5,9 lat świetlnych, którego główną cechą jest duża prędkość, około 90 km / sw kierunku Słońca.

Jest widoczny przez teleskopy i podobnie jak Proxima jest również podatny na odblaski i odblaski. Niedawno odkryto planetę krążącą wokół gwiazdy Barnarda.

Teegarden Star

Ten czerwony karzeł stanowiący zaledwie 8% masy Słońca znajduje się w konstelacji Barana i można go zobaczyć tylko za pomocą potężnych teleskopów. Jest jedną z najbliższych gwiazd w odległości około 12 lat świetlnych.

Został odkryty w 2002 roku i oprócz tego, że ma niezwykły własny ruch, wydaje się, że posiada planety w tak zwanej strefie nadającej się do zamieszkania.

Wilk 359

Jest to zmienny czerwony karzeł w konstelacji Lwa i znajduje się prawie 8 lat świetlnych od naszego Słońca. Będąc gwiazdą zmienną, jej jasność wzrasta okresowo, chociaż jej rozbłyski nie są tak intensywne jak u Proxima Centauri.

Bibliografia

1. Adams, F. Czerwone karły i koniec głównej sekwencji. Odzyskany z: astroscu.unam.mx.
2. Carroll, B. Wprowadzenie do współczesnej astrofizyki. 2nd. Wydanie. Osoba.
3. Kosmos. Czerwone karły. Odzyskany z: astronomy.swin.edu.au.
4. Martínez, D. Gwiezdna ewolucja. Odzyskane z: Google Books.
5. Taylor, N. Czerwone karły: najczęstsze i najdłużej żyjące gwiazdy. Odzyskany z: space.com.
6. Fraknoi, A. Widma gwiazd (i brązowe karły). Odzyskany z: phys.libretexts.org.