Dabartinė pagrindinės sekos fazė, būsimoji raudonosios milžinės stadija ir galutinis baltosios nykštukės likimas
Saulė – mūsų žvaigždinis inkaras
Saulė yra G tipo pagrindinės sekos žvaigždė (dažnai žymima G2V), esanti Saulės sistemos centre. Ji teikia gyvybei Žemėje būtiną energiją, o milijardus metų trunkanti jos kintanti spinduliuotė veikė planetų orbitų formavimąsi ir stabilumą, taip pat Žemės ir kitų planetų klimatą. Saulę daugiausiai sudaro vandenilis (apie 74 % masės) ir helis (apie 24 % masės), be to, joje yra ir nedidelis kiekis sunkesnių elementų (astronomijoje vadinamų metalais). Saulės masė siekia apie 1,989 × 1030 kg – tai yra daugiau nei 99,8 % visos Saulės sistemos masės.
Nors iš mūsų perspektyvos Saulė atrodo stabili ir nekintanti, iš tiesų joje vyksta nuolatinė branduolinė sintezė ir lėta evoliucija. Šiuo metu Saulės amžius yra apie 4,57 milijardo metų, t. y. beveik pusė jos vandenilio deginimo (pagrindinės sekos) gyvenimo trukmės. Ateityje ji išsiplės ir taps raudonąja milžine, dramatiškai pakeisdama vidinę Saulės sistemą, o galiausiai nusimes išorinius sluoksnius ir taps tankiu baltosios nykštukės liekanu. Žemiau išsamiau nagrinėjame kiekvieną šio kelio žingsnį – nuo Saulės vidinės sandaros iki galutinio likimo, kuris gali lemti ir Žemės ateitį.
2. Saulės vidinė sandara
2.1 Sluoksniai
Saulės vidinė ir išorinė sandara skirstoma į kelias zonas:
- Branduolys: Centrinė sritis, apimanti apie 25 % Saulės spindulio. Temperatūra čia viršija 15 mln. K, o slėgis ypač didelis. Branduolinė sintezė (vandenilio virtimas heliu) vyksta būtent branduolyje ir ten pagaminama beveik visa Saulės energija.
- Radiacinė zona: Nuo išorinės branduolio ribos iki maždaug 70 % Saulės spindulio. Energija čia perduodama radiacijos pernašos (fotonų sklaidos tankiame plazmos sluoksnyje) būdu. Fotonams, sukurtiems branduolyje, prireikia dešimčių tūkstančių metų, kad išsisklaidydami pasiektų zonos išorinę ribą.
- Tachoklina: Plonas pereinamasis sluoksnis tarp radiacinės ir konvekcinės zonų. Labai svarbus magnetinio lauko susidarymui (Saulės dinamo veikimui).
- Konvekcinė zona: Išorinis ~30 % Saulės vidaus. Temperatūra čia pakankamai žema, kad energija būtų pernešama konvekcija – karšta plazma kyla, o atvėsusi leidžiasi žemyn. Dėl konvekcijos Saulės paviršiuje matoma granuliacija.
- Fotosfera: „Matomas paviršius“, iš kurio sklinda dauguma Saulės spindulių. Fotosferos storis apie 400 km, efektyvioji temperatūra ~5800 K. Joje stebimos dėmės (vėsesni, tamsesni regionai) ir granulės (konvekcinės ląstelės).
- Chromosfera ir Karūna: Išoriniai Saulės atmosferos sluoksniai. Karūnos temperatūra siekia milijonus kelvinų, ją struktūriškai formuoja magnetiniai laukai. Karūna matoma per visiškus Saulės užtemimus arba naudojant specialius teleskopus.
2.2 Energijos gamyba: protonų–protonų sintezė
Branduolyje energija daugiausia gaminama protonų–protonų (p–p) grandinėje:
- Susidūrus dviem protonams, susidaro deuteris, išspinduliuojamas pozitronas ir neutrinai.
- Deuteris susijungia su dar vienu protonu → susidaro helis-3.
- Dvi helio-3 dalelės susijungia, sudarydamos helį-4 ir išlaisvindamos du laisvus protonus.
Šios reakcijos metu išsiskiria gama spinduliuotė, neutrinai ir kinetinė energija. Neutrinai beveik akimirksniu ištrūksta, o fotonai „klaidžioja“ tankiais sluoksniais, kol galiausiai pasiekia fotosferą jau mažesnės energijos (matomojo arba infraraudonojo spektro) pavidalu [1], [2].
3. Pagrindinė seka: dabartinė Saulės fazė
3.1 Pusiausvyra tarp jėgų
Pagrindinės sekos metu vyksta stabili hidrostatinė pusiausvyra: į išorę nukreiptas slėgis dėl branduolinės sintezės metu išsiskiriančios šilumos kompensuoja gravitacijos trauką. Saulė taip egzistuoja jau apie 4,57 mlrd. metų ir tokioje būsenoje išliks dar maždaug 5 mlrd. metų. Jos spinduliuotė (apie 3,828 × 1026 vatų) lėtai didėja (~1 % kas ~100 mln. metų), nes šerdyje kaupiasi helio „pelenai“, o šerdis pamažu traukiasi ir kaista, taip spartindama sintezę.
3.2 Saulės magnetinis aktyvumas ir vėjas
Nepaisant stabilios sintezės, Saulė demonstruoja dinamiškus magnetinius procesus:
- Saulės vėjas: Pastovus įkrautų dalelių (daugiausia protonų ir elektronų) srautas, kuris sukuria heliosferą, besitęsiančią iki ~100 AV ar dar toliau.
- Saulės dėmės, žybsniai, vainikinės masės išmetimai (CME): Sukeliami sudėtingo magnetinio lauko konvekcinėje zonoje. Fotosferoje matomos Saulės dėmės, kurioms būdingas maždaug 11 metų ciklas. Saulės žybsniai ir vainikinės masės išmetimai gali paveikti Žemės magnetosferą, pakenkti palydovams ir elektros tinklams.
Šis aktyvumas įprastas tokioms pagrindinės sekos žvaigždėms kaip Saulė, tačiau jis ženkliai veikia kosminius orus, Žemės jonosferą ir galbūt tam tikrus klimatinius reiškinius tūkstantmečių mastu.
4. Po pagrindinės sekos: perėjimas į raudonąją milžinę
4.1 Vandenilio degimas apvalkale
Senstant Saulei, branduolio vandenilis išeikvojamas. Kai jo lieka per mažai stabiliai sintezei centre (~po ~5 mlrd. metų), branduolys susitraukia ir dar labiau įkaista, užsidega „vandenilio degimo apvalkalas“ aplink nesusidarantį helio branduolį. Dėl šios apvalkalo sintezės išoriniai sluoksniai plečiasi, žvaigždė išsipučia ir tampa raudonąja milžine. Saulės paviršiaus temperatūra kris (raudonės), tačiau bendra spinduliuotė smarkiai padidės – gali siekti šimtus ar net tūkstančius dabartinio Saulės ryškio kartų.
4.2 Vidinių planetų prarijimas?
Raudonosios milžinės stadijoje Saulės spindulys gali išaugti iki ~1 AV ar net daugiau. Merkurijus ir Venera beveik neabejotinai bus praryti. Dėl Žemės likimo vienareikšmiško atsakymo nėra; daugelis modelių rodo, kad Žemė gali būti tiesiog įtraukiama į Saulės fotosferą arba atsidurti pavojingai arti jos, ir faktiškai taptų be gyvybės likusiu įkaitusiu ir išsilydžiusiu kūnu. Net jeigu fiziškai Žemė nebus „praryta“, jos paviršius ir atmosfera taps nebepalankūs gyvybei [3], [4].
4.3 Helio užsiliepsnojimas: horizontali šaka
Galiausiai, kai branduolio temperatūra pasiekia ~100 mln. K, įvyksta helio sintezė („helio blyksnis“), jei branduolys yra išsigimęs. Po struktūrinių pakitimų helis branduolyje, taip pat vandenilis apvalkale, palaiko žvaigždę trumpą, bet stabilią būseną (vadinamą horizontaliąja šaka arba raudonuoju gniužulu panašių masių žvaigždėms). Ši stadija trumpesnė už pagrindinės sekos trukmę. Žvaigždės išoriniai sluoksniai gali kiek susitraukti, bet žvaigždė išlieka „milžinės“ pavidalo.
5. Asimptotinė milžinės šaka (AGB) ir planetinis ūkas
5.1 Dvigubas apvalkalas
Kai branduolyje beveik visas helis pavirsta anglimi ir deguonimi, žvaigždėje, kurios masė panaši į Saulės, nebegali užsidegti jokia tolesnė sintezė branduolyje. Žvaigždė pereina į asimptotinę milžinės šaką (AGB), kur helis ir vandenilis toliau deginami dviejuose atskiruose apvalkaluose, gaubiančiuose anglies-deguonies branduolį. Tuo metu išoriniai sluoksniai ima labai vibruoti, o žvaigždės ryškis drastiškai išauga.
5.2 Termaliniai impulsai ir masės netekimas
AGB žvaigždės patiria pakartotinius termalinius impulsus. Didelė masės dalis netenkama žvaigždiniam vėjui nupučiant išorinius sluoksnius. Taip formuojami dulkių apvalkalai, paskleidžiantys naujai susidariusius sunkesnius elementus (pvz., anglį, s-proceso izotopus) į tarpžvaigždinę erdvę. Per kelias dešimtis ar šimtus tūkstančių metų išorinių sluoksnių gali būti pašalinama tiek daug, kad atsiskleidžia kaitrus branduolys.
5.3 Planetinio ūko susidarymas
Išspinduliuoti išoriniai sluoksniai, veikiami intensyvios UV spinduliuotės iš karšto atidengto branduolio, sudaro planetinį ūką – trumpalaikį švytintį dujinį apvalkalą. Per dešimtis tūkstančių metų ūkas išsisklaido erdvėje. Stebėtojams jis atrodo kaip žiedu arba burbulu spindintis debesis aplink centrinę žvaigždę. Galutinėje stadijoje, kai ūkas išsisklaido, lieka baltosios nykštukės žvaigždės branduolys.
6. Baltosios nykštukės liekana
6.1 Branduolio išsigimimas ir sudėtis
Po AGB stadijos išlikęs branduolys tampa tankia baltąja nykštuke, kuri Saulės masės žvaigždės atveju dažniausiai susideda iš anglies ir deguonies. Ją palaiko elektronų išsigimimo slėgis, papildoma sintezė nevyksta. Tipinė baltosios nykštukės masė yra apie 0,5–0,7 M⊙. Jos spindulys panašus į Žemės (~6000–8000 km). Iš pradžių temperatūra būna labai aukšta (dešimtys tūkstančių kelvinų), o vėliau per milijardus metų palaipsniui vėsta [5], [6].
6.2 Vėstančios per kosminį laiką
Baltoji nykštukė išspinduliuoja likusią šiluminę energiją. Per dešimtis ar šimtus milijardų metų ji vis labiau tamsėja, galiausiai virsdama beveik nematoma „juodąja nykštuke“. Tokiam atvėsimui prireiks laikotarpio, kuris viršija dabartinį Visatos amžių. Toje galutinėje būsenoje žvaigždė yra inertiška – jokios sintezės, vien tiktai atšalęs, tamsus „anglies grynuolis“ kosminėje tamsoje.
7. Laiko skalės suvestinė
- Pagrindinė seka: ~10 mlrd. metų žvaigždei, kurios masė panaši į Saulės. Saulė jau ~4,57 mlrd. metų yra šioje stadijoje, tad liko ~5,5 mlrd. metų.
- Raudonosios milžinės fazė: Trunka ~1–2 mlrd. metų, apima vandenilio apvalkalo degimą ir helio blyksnio stadiją.
- Helio degimas: Trumpesnė stabili fazė, gali tęstis kelis šimtus milijonų metų.
- AGB: Termaliniai impulsai, didelis masės netekimas, trunkantis kelis milijonus metų ar trumpiau.
- Planetinis ūkis: ~keliasdešimt tūkstančių metų.
- Baltosios nykštukės stadija: Nustojus sintezei, objektas per eonus ilgai vėsta, kol galiausiai galėtų tapti „juodąja nykštuke“, jei Visata egzistuos pakankamai ilgai.
8. Poveikis Saulės sistemai ir Žemei
8.1 Tamsėjimo perspektyvos
Maždaug po ~1–2 mlrd. metų Saulės ryškumas bus padidėjęs apie 10 %, o tai gali sukelti Žemės vandenynų ir biosferos išgaravimą per šiltnamio efektą, dar iki raudonosios milžinės stadijos. Žvelgiant į geologinius laikotarpius, Žemės tinkamumas gyvybei yra ribotas dėl nuolat didėjančios Saulės spinduliuotės. Teoriškai (tolimos ateities požiūriu) technologinės civilizacijos galėtų svarstyti apie planetos orbitos keitimą ar „žvaigždės nukėlimo“ (angl. star-lifting) metodus, bet tai išlieka labiau fantastikos sritimi.
8.2 Išorinė Saulės sistema
Saulės masei mažėjant per AGB vėją, gravitacinė trauka silpnės. Išorinės planetos gali nutolti, jų orbitos taps nestabilesnės. Kai kurios nykštukinės planetos ar kometos gali būti išblaškytos. Galiausiai, po baltosios nykštukės susidarymo, sistemoje gali išlikti tik kelios tolimos planetos arba visai nebelikti, priklausomai nuo to, kaip masės netekimas ir potvyninės jėgos paveiks jų orbitas.
9. Stebėjimų analogijos
9.1 Raudonosios milžinės ir planetiniai ūkai Paukščių Take
Astronomai stebi raudonąsias milžines ir AGB žvaigždes (tokias kaip Arktūras, Mira) ir planetinius ūkus (pvz., Žiedo ūkas, Sraigės (Helix) ūkas), kurie rodo, kaip ateityje keisis Saulė. Šios žvaigždės suteikia duomenų apie voko išsipūtimą, termalinius impulsus ir dulkių susidarymą. Remiantis žvaigždės mase, metalingumu ir evoliucine stadija galima daryti išvadą, kad Saulės ateities kelias tipiškas ~1 Saulės masės žvaigždei.
9.2 Baltosios nykštukės ir nuolaužos
Tyrinėjant baltųjų nykštukių sistemas, galima suprasti galimą planetų liekanų likimą. Kai kuriose baltosiose nykštukėse aptinkami sunkesni metalai („teršiantys“ baltosios nykštukės spektrą), matyt iš suardytų asteroidų ar mažų planetų. Tai tiesiogiai rodo, kaip Saulės sistemoje išlikę dangaus kūnai ateityje galėtų būti įtraukti į baltąją nykštukę ar likti tolimuose orbituose.
10. Išvada
Saulė šiuo metu yra stabili pagrindinės sekos žvaigždė, bet kaip ir visos panašios masės žvaigždės, taip nebus amžinai. Per milijardus metų ji išeikvos vandenilį branduolyje, išsiplės iki raudonosios milžinės, gali praryti vidines planetas, o tuomet per helio degimo stadijas pereis į AGB fazę. Galų gale žvaigždė nusimes išorinius sluoksnius, suformuodama įspūdingą planetinį ūką, o liksiančiu tankiu branduoliu taps baltosios nykštukės žvaigždė. Ši plati evoliucijos kreivė – nuo gimimo ir švytėjimo pagrindinėje sekoje iki raudonosios milžinės plėtimosi ir baltosios nykštukės „gaisravietės“ – būdinga daugeliui į Saulę panašių žvaigždžių.
Žemei šie kosminiai pokyčiai reiškia neišvengiamą gyvenamumo pabaigą, nesvarbu, ar dėl Saulės spinduliuotės augimo artimiausiame milijarde metų, ar dėl galimo tiesioginio prarijimo raudonosios milžinės stadijoje. Saulės sandaros ir gyvavimo ciklo supratimas gilina mūsų žinias apie žvaigždžių astrofiziką ir pabrėžia laikiną bei nepaprastą galimybę gyvybei atsirasti planetose, taip pat universalius procesus, kurie formuoja žvaigždes. Galiausiai Saulės evoliucija atskleidžia, kaip žvaigždžių formavimasis, sintezė ir mirtis nuolat keičia galaktikas, kurdami sunkesnius elementus ir iš naujo „sukurdami“ planetines sistemas per kosminį perdirbimą.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Carroll, B. W., & Ostlie, D. A. (2017). An Introduction to Modern Astrophysics, 2nd ed. Cambridge University Press.
- Stix, M. (2004). The Sun: An Introduction, 2nd ed. Springer.
- Sackmann, I.-J., Boothroyd, A. I., & Kraemer, K. E. (1993). “Our Sun. III. Present and Future.” The Astrophysical Journal, 418, 457–468.
- Schröder, K.-P., & Smith, R. C. (2008). “Distant future of the Sun and Earth revisited.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 155–163.
- Iben, I. (1991). “Asymptotic Giant Branch Evolution and Beyond.” Astrophysical Journal Supplement Series, 76, 55–130.
- Althaus, L. G., et al. (2010). “Evolution of white dwarf stars.” Astronomy & Astrophysics Review, 18, 471–566.