Star on sündinud

Original: http://faculty.wcas.northwestern.edu/~infocom/The%20Website/birth.html

Stars tekivad, kui tohutu pilved gaasi (valgusaasta1 läbimõõduga) kokkuvarisemine omal raskust. Tähtedevahelise “pilved” muudaks väga, väga hea vaakum Maal; kuid ruumi ümber oleks veelgi parem vaakumis, nii pilved nad on. Gaas spiraali arm Linnutee galaktika, kus Maa paikneb koosneb umbes 74% vesinikust, 25% heeliumist ja 1% kõike muud, seega see on umbes koostise Päikese ja ka kõige vastsündinud tähed meie naabruses.

Vesiniku ja heeliumi on jäänuseid Big Bang; 1% “mustuse” pärineb tärni ise ja me arutame seda huvitav natuke enesetäienduseks  hiljem.  Termin “Big Bang” algselt mõtles kui tähtaeg mõnitamine Briti astronoom Fred Hoyle, kes ei olnud innukas usklik apokalüptiline kosmilise plahvatused. Kuid see oli nii iseloomulik, et see kinni ja sai uhke nime terve rida kosmoloogiline teooriaid põhineb ideel, et kõik mass ja energia universumi algselt plahvatuslikult välja quantum kõikumine 10 30  korda väiksem kui prooton. Viimased täpsus töös kasutades kosmilise mikrolaineahjud paigutab Big Bang 13,7 miljardit aastat tagasi. Vaadeldud arvukus vesinikust ja heeliumist isotoobid2 tähtedevahelise pilved on hoolikalt võrreldes arvutused, mille isotoopide oleks pidanud loodud mõne tunni pärast Big Bang ning leping on väga muljetavaldav. See sisuliselt tõestab, et Big Bang ei saanud ühtegi elementi koguses muu kui vesinik ja heelium, ja see pakub ka võimsaid kinnitamise Big Bang ise.

Enamik originaal vesinikust ja heeliumist loodud Big Bang on ammu lagunenud tähte. Linnutee koosneb arvatavasti 10% gaasi ja 90% tärni sel hetkel. Kuid 10% galaktikas on veel palju gaasi, piisavalt teha umbes 30 miljardi Päikese, mistõttu ei ole puudus vastsündinu tärni meil jälgida. (Vt  Plate 5  kohta rohkem teavet tähetekke pilved.) Ja nagu alati, kui arutatakse tähed, esimene küsimus on: kuidas pilved käituda nagu nad surutakse raskuse?

Sellisel juhul on meil tegemist ülimalt nõrga, mitte ultrakompresseeritud valdkonnaga. Interstellulaarse pilve aatomid on nii kaugel, et kollapsi esialgsetes staadiumides satuvad nad üksteisele harva. Saate mõelda, et nad tegutsevad nagu pilve keskel langevad vihmapilved. Sarnaselt Maa-alustele vihmapiiskudega kiirendavad nad kiirust. See kineetiline energia muundatakse lõpuks soojuseks, sest nad hakkavad järsult üksteisele vastu astuma üha väheneva interstellulaarse pilve sees. (Soojendusfunktsioon on üsna paralleelne diiselmootori kolvi sees surumistsükli jooksul, kui teil on autotööstuse mehaanika tundmine). Pilve kokkutõmbumisel kiirgub ligikaudu pool kuumust; teine ​​pool jääb proto-stari sisse. Kokkupõrke alguses on gaasipilva temperatuur tavaliselt väga nõiduv, ainult paar kraadi Kelvini (umbes -450 F°) ja see on algselt mitu valgusajast üle. Lõppude lõpuks on see vähenenud raadiusesse mõne miljoni miili võrra – mahu vähenemine umbes 1018 korda – ja selle pinna temperatuur on jõudnud ligikaudu 4000 K°. Tema südamiku temperatuur on tavaliselt üle kümne miljoni K°.

Vastsündinud täht on seega väga kuum, helendav objekt – nagu olid planeedid meie päikesesüsteemis, kunagi ammu, sest planeedid sisuliselt sündinud samast varisemas tähtedevahelise tähtis kui nende vanem tähte. Kriitiline erinevus vastsündinud tähtede ja planeetide on selline: planeet lihtsalt jahtub pärast seda vormi, kuid täht on nii suur, et ägenenud temperatuuri ja rõhu keskmes süüdata tuuma reaktsioonid ja see hakkab  tootma  energiat.

Energiaallikas täht
Definitsiooni järgi täht on objekt, mis “põletusi” vesinikuga termotuumasünteesi. See rada vabastav tuumaenergia erineb mida inimesed kasutavad allveelaevad, elekter, ja nii edasi. Me kasutame tuuma lõhustumise. Lõhustumise raja ära tohutu, tursunud, radioaktiivsed tuumad lõpus perioodilisuse tabeli elemendid, nagu uraani või plutooniumi (elemendid #92 ja #94). Tuumalõhustumine on illustreeritud  joonisel 2. Kui raskete tuumade on lõhustus (või puruks) kergemateks tuumade nagu baarium või krüptoon, nad sõna otseses mõttes plahvatada, saades tohutul hulgal energiat. Lõhustumise tuuma-energia rada on mõnevõrra sarnane purunemist tank lõhkeaine kemikaalid.

Tuumatehnoloogia töötab täpselt vastupidises suunas: perioodilised tabelid on väga kerged ja täiesti stabiilsed tuumad sulandunud (kombineeritud) raskematesse tuumadesse, andes energia vabanemise tuuma lõhustumisega veelgi suuremaks. Nagu enamik tähte, ühendab Päike kõige kergema elemendi – vesinik – teise kergeima, heeliumi. Vesinikul on aatommass üks ja heelium on aatommass neli, seega tähendab see, et ühe heeliumi tuuma moodustamiseks tuleb ühendada neli vesiniku tuumast. Kuidas see toimub? Kas on olemas hämmastav vesinik rongi vrakk, kus neli vesinikku satuvad samal ajal samas kohas?

Mitte just. See oleks äärmiselt ebatõenäoline. Vesiniku fusioon toimub sammude kaupa, nagu näiteks:

Etapp 1)  Kaks prootonite aka vesiniku tuuma, põrkuvad. See juhtub olema võimatu kahe prootonid sulanduma üksteist (elektrostaatiliselt peletamine on liiga suur), kuid mitte muretseda. Nüüd ja siis, enne kokkupõrkamise prootonid saab eraldada, tuumajõud3  põhjust üks prootonid muutuda neutronite! Nagu ma varem mainisin (eelmises osas), prootonid ja neutronid on oma Kvantolek. Mida ma ei ütle teile, et prootoni ja neutroni  on  Kvantolek ning seetõttu võib vahetada identiteeti! Nr narrimine4. Tuumas, mis tuleneb kokkupõrget on seega prootoni-neutroni paari. See on vesiniku isotoobiga, mida võiks nimetada vesinikku-2, kuid füüsikud tavaliselt kutsuvad seda deuteerium. Sümbolites, kus  p tähistab prootoni ja  n  tähistab neutron, reaktsioon on:   p + p -> NP + energia  + (teised osakesed nimetatakse neutriinod, mis ei puuduta meid siin, ma arutada neid hiljem).

Etapp 2)  Prootoni põrkub deuteerium. See kleepub, andes meile 2 prootonid + 1 neutron = heelium-3. Sümbolites:
np + p -> ppn + energiat.

Etapp 3)  Kaks heelium-3 põrkuvad. Aastal tulemuseks tulekera, siis heelium-3 tuumad ümberkorraldamiseks ise ühte heeliumi-4 ja kaks prootonite. Sümbolites:   ppn + ppn -> pnpn + p + p + energiat. Kinnistamist prootoni et heelium-3 võib tunduda tõenäolisem Kolmandas etapis, kuid see tekitaks  ppn + p -> pppn, mis on liitium-4, ei heeliumi-4. Liitium-4 on nii ebastabiilne, et see peaaegu disintegreerub enne see on loodud, seega see reaktsioon tee aitab praktiliselt midagi päikese energiat väljund.

Lõpptulemusena on see, et neli vesinikku on saanud üks heeliumi. See kolmeetapilise protsessi nimetatakse  pp Chain ja on kirjeldatud ülal. See on peamine energiaallikas kõige tähte.

Võib küsida, miks coned USA mereväes jne, kasutada Tuumalõhustumise asemel tuumasüntees, kuna: 1) fusion toodab rohkem energiat, 2) fusion põletab vesinikku = H2O = vesi kütuseks, arvestades lõhustumise kasutab haruldane, kallis radioisotoobid, 3) vesinik fusion toodab palju vähem radioaktiivseid jäätmeid kui lõhustumise alates selle reaktsiooni saadus on mitteradioaktiivset ja 4) fusiooniprotsesside ei saa olla “kokkuvarisemist” õnnetusi nagu lõhustumise purk.

Lihtne vastus on, et termotuumasünteesi on kohutavalt raske algatada. Mis lõhustumine, kõik ühe vajab on ühe tuuma, mis on juba ebastabiilne (st radioaktiivsed) ja siis saate “purunema” seda kraani alates kiiruseületamise neutron, nagu on näidatud  joonisel 2. Neutronite ei ole elektrilaengut, seega ei ole midagi, et lõpetada nende läheneb tahes aatomi. Mis fusion, peate te võtma tuumade mis on kerge, stabiilne ja kõige hullem, positiivselt laetud, ja veenda, et nad tulevad koos. Tuumad elektrostaatiliselt tõukuvad raevukalt ja tihedamalt kokku, seda rohkem raevukalt nad tõrjuma. (Vt  Plate 6 illustratsiooni.) Kuna tuumajõudude on väga lähedalt, nad võivad saada üksnes elektrostaatilise tõukejõu ning algatada fusion kui tuumasid sõna otseses mõttes üksteise peal. Aatomitest kinnistamist gaasi seetõttu tuleb liigub kohutav kiirused teha selline lähedane lähenemine, st gaasi tuleb tõsta kohutav temperatuurid ja rõhud enne teil on lootust saada mingit energiat välja.

Praegu on ainus viis vesinikfusiooni käivitamiseks kasutada tuumalõhustumist: nn “vesiniku” pomm kasutab plutooniumipommi plahvatust, et (väga lühidalt) süttida vesiniku isotoopideteerium ja triitiumi kontrollimatut liitmist. Me ei saa termotuumasünteesi juhtida, kuigi viimase 40 aasta jooksul on selle teema kohta tehtud palju uuringuid. Päike takistab neid probleeme ja sulandab vesiniku selle lahtiselt, ülekaalukalt lahtiselt. Surve keskel surub gaasi seal 14 korda tihedus plii. Temperatuur on 15 miljonit K°.

Ent nagu äärmuslikud nagu need numbrid on nad ikkagi ei ole piisavalt suur, et süüdata  kiiret  vesinik fusion. Tegelikult nad on vaevalt piisavalt suur, et süüdata igal vesiniku fusion üldse! Sa võid ka ei tea, mida ma mõtlen “vaevalt”, arvestades seda, kui ere päike on, ja ma mõtlen seda: Sun on särav 4,5 miljardit aastat,5  kuid see on ainult põlenud 5% oma vesinikkütuse! Kui te kunagi sõitis oma auto, kuid lihtsalt avas gaasi kork ühe teise iga päev lasta mõned suitsu põgeneda, siis oleksin kasutades oma kütuse kiiremini kui Sun teeb. On  raske  saavutada fusiooni. Siin on mõned numbrid, et illustreerida, mida ma mõtlen:

A)   Päikese helendus (koguvõimsusega) = 3,86 X 1023  kilovatti. Praeguse ülemaailmse tarbimise taset, see võtaks maailma elanikkonnast 792.000 aastat kasutada toodetud energia Päikese ühes sekundis. Astronoomid tähistavad seda kogust võimsuse Lo, või üks päikese helendus.

B)   Energiasisaldus tootnud tuumasüntees ühe kilogrammi (kaks naela, 3 untsi) vesiniku 177720000 kilovatttunde (!!). See kujutab piisavalt elektrit, et käivitada keskmine ameeriklane majapidamises 3000 aastat.

C)   Jagades päikese kirkus (A) poolt energia saagis üks kilogramm vesiniku (B) ütleb meile, mitu kilo vesiniku tuleb põlenud iga teine võimule Sun 603 miljardit eurot. Kaevandada seda palju mahutavuse, siis oleks vaja kaevama kogu riigi Illinoisi sügavusele 1000 jalga päevas. Umbes.

D)   Päikese mass on 1,99 X 1030  kilogrammi = 332900 korda Maa massiga. Jagades selle sisse 603000000000 kilogrammi arvutatud (C) annab meile murdosa Sun, et on põlenud iga teine: 3 X 10-19. See on umbes sama suhe võrreldes ühe Penny kogumajanduse toote kogu maailmas järgmise 1000 aasta jooksul. Seega näeme, kuidas Sun paradoksaalselt õnnestub kiirgavad nii palju energiat ja veel põletada (peaaegu) kütust, võrreldes selle suurus. Selle tohutu mass tõlgib isegi nanoskoopilise protsendid vesinikust põletamine viiakse samaväärne miljoneid vesinikupomme plahvatav sekundis.

Nii et kokkuvõttes kasutavad tähed nagu päike ülitäpse gaaside rõhku, et hoida silmapaistvat jõu tugevust. Isegi parem ja lõbusam (kui oled astronoom) on gaaside soojusallikas looduslik tuumareaktor. See tähendab, et tähed on üha rohkem vägivaldsed ja dünaamilised kui planeedid, ja järgmises osas kaalume mõningaid selle tagajärgi.

 

 

1 – Valgusaasta on vahemaa valgus ühe aasta jooksul. Paljud inimesed usuvad, et valgusaasta on ajaühik, kuid see pole nii. See on kauguse ühik. Valguse kiirus on 186 282 mi/s, seega on kerge aasta (186 282 mi/sek) x (sekundit aastas) = 5,887 triljoni miili. Astronoomid kasutavad ka valgustuse minutid (kauguse valgus liigub minutiga), valgustunde jne. Maa ja päikese vaheline kaugus on seega 93 miljonit miili või 8,3 valgust minutit, nagu soovite.

2 – Isotoobid on tuumade sama arvu prootoneid (need on sama elemendi), kuid erinev arv neutroneid. Isotoobid on määratud pannes mitmete elemendile nimi: st süsinik-14, kus 14 tähendab, et prootonite arvu pluss neutronite võrdub 14. Vesinik on erand: vesinik-2 nimetatakse  deuteerium ja vesinik-3 nimetatakse  triitium.

 

Plaat 5

 

3 – On kaks tuumajõudu, kujutlusvõimeliselt tähistatud vastavalt “tugev” ja “nõrk”, sest tugev on umbes miljard korda võimsam kui teine. Erinevalt gravitatsioonist või elektromagnetismist piiravad tuumajõudude piirid järsult tuumade vahemaadega, kuid tuuma piirides on tugev jõud palju võimsamad kui teised. Tugev jõud vastutab tuumareaktsioonide suure võimu eest; nõrk jõud on peenem ja vastutab mitut liiki radioaktiivse lagunemise eest.

4 – Quarks on sub-tuuma osakesi, mis muudab muu hulgas, prootoni ja neutronite.  Quarks  on üsna õnnelik, et vahetada identiteeti, nagu osalejad muutuvad kostüümid ja teeb seda tilk müts kui see on keelatud energia puudus. Asjas, prootoni on ainus kombinatsioon  kvarke mis on stabiilne kui vaba osakese, sel lihtsal põhjusel, et see on kõige kergema (vähemalt energiline)  kohupiima kombinatsiooni võimalik. Kuna  kvargid ei saa moodustada eri kombinatsiooni, kui energia lisatakse prooton ei saa muuta, kui see on seotud vägivaldse kokkupõrke. Kui fusion alustatakse siiski kvarke  saab muuta, ning seega on võimalik võtta vastu prootoni äkki neutron.

 

 

 

 

Plaat 6

 

 

 

5 – Kui te ei tea, kust see number pärineb, see tuleneb astrofüüsikast teooriast, Maa vanusest, mis on kindlaks määratud geofüüsilistel kaalutlustel, ja kõige täpsemalt – vanimate teadaolevate meteoriitide radioaktiivsest dating.