Tähdet ja raskaiden alkuaineiden syntyhistoria

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Nykyinen käsitys maailmankaikkeuden alusta on alkuräjähdysteoria. Teorian mukaan maailmankaikkeus syntyi äärimmäisen tiheästä ja kuumasta tilasta noin 13,7 miljardia vuotta (13,7 Ga) sitten ja on siitä lähtien laajentunut jatkuvasti.

Aurinko syntyi noin 5 miljardia vuotta sitten, ja noin 5 miljardin vuoden kuluttua sen energiavarat loppuvat.

Tähdet syntyvät tähtienvälisestä pilvestä tiivistymällä. Tähtienvälinen aine koostuu kaasusta, lähinnä vedystä ja heliumista, sekä pienestä määrästä muita alkuaineita. Tähdet eivät koskaan synny yksinään, vaan yhdestä tähtipilvestä syntyy aina tähtijoukko. Monien tähtien ympärille muodostuu planeettoja. Ruskeat kääpiöt ovat tähtiä, joissa on tapahtunut deuteriumin eli raskaan vedyn fuusiota, mutta lämpötila ei ole noussut riittävän korkeaksi tavallisen vedyn fuusion käynnistämiseksi.

Yleensä tähtien ytimissä tapahtuu vedyn fuusiota, vedyn loputtua myös raskaampien alkuaineiden, kuten heliumin, hiilen tai piin fuusiota. Tähtien ydin on noin sata kertaa vettä tiheämpää ja siellä vallitsee miljoonien kelvinien lämpötila. Lähes kaikki aine on ionisoitunutta, eli atomin ytimet ja elektronit ovat erillään. Merkittävä ionisoituminen alkaa noin 10 000 kelvinin lämpötilassa.

Tähden ydinreaktioissaan tuottama suuri määrä energiaa vapautuu tähdestä säteilynä, niin näkyvänä valona kuin muuna sähkömagneettisena säteilynä ja myös hiukkassäteilynä. Tähdet ovat siis omaa valoa lähettäviä taivaankappaleita, toisin kuin planeetat ja muut taivaankappaleet, jotka heijastavat tähtien lähettämää valoa takaisin avaruuteen. Tähdet ovat lähes oman aurinkomme kokoisia mutta ne sijaitsevat valovuosien päässä.

Ydinreaktioissa syntyy energian ohella uusia alkuaineita rautaan asti. Sitä raskaampien aineiden muodostuminen vaatisi enemmän energiaa kuin reaktio tuottaa. Rautaa raskaammiksi atomiytimet voivat kasvaa sieppaamalla neutroneita. Myöhemmin neutroni voi muuttua protoniksi esimerkiksi beetahajoamisessa. Heliumia raskaammat alkuaineet ovat syntyneet lähes yksinomaan tähdissä. Ydinreaktioiden lakattua tähdestä jää jäljelle kompakti tähti eli valkoinen kääpiö, neutronitähti tai musta aukko. Raskailla tähdillä loppukehitys on raju supernovaräjähdys.

/Wikipedia

Kuinka pian universumin synnyn jälkeen tähtiä alkoi muodostua? Monesko tähtisukupolvi on nyt menossa? Toinen kolmas? Mistä kaikki raskaat alkuaineet ovat tulleet? Kuinka paljon muinaisten tähtien jäännöksiä on löydetty suhteessa aktiivisten tehtien määrään? Onko ensimmäisen tai toisen sukupolven tähdillä ollenkaan raskaammista alkuaineista koostuvia planeettoja?

Sivut

Kommentit (23)

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26853
Liittynyt16.3.2005
Deus Ex
Kuinka pian universumin synnyn jälkeen tähtiä alkoi muodostua?



Muistaakseni kohtalaisen pian. Ensimmäisten tähtien ominaisuuksista näkyy kylä ristiriitaista tietoa, joten viimeistä sanaa ei liene sanottu.

Monesko tähtisukupolvi on nyt menossa? Toinen kolmas?



Koska tähtien iät vaihtelevat suuresti, ei niitä voi jakaa tuolla tavalla sukupolviin. Hieman aurinkoa kevyemmät tähdet voivat olla alkuvaiheessa syntyneitä, koska ne ovat hyvin pitkäikäisiä. Toisaalta massiivisimmat tähdet elävät vain muutamia miljoonia vuosia, minkä jälkeen ne räjähtävät ja ainekset sekoittuvat muiden jäännösten ja alkuperäisen kaasun kanssa muodostamaan aikanaan uusia tähtiä.

Mistä kaikki raskaat alkuaineet ovat tulleet?



Tähdistähän ne, heliumia lukuunottamatta.

Kuinka paljon muinaisten tähtien jäännöksiä on löydetty suhteessa aktiivisten tehtien määrään?



Aika vähän, koska jäännökset ovat himmeitä ja huomaamattomia. Havaittujen jäännösten määrä on kuitenkin käsittääkseni ihan sopusoinnussa vallitsevien astronomisten mallien kanssa.

Onko ensimmäisen tai toisen sukupolven tähdillä ollenkaan raskaammista alkuaineista koostuvia planeettoja?



Ensimmäisillä tähdillä ei voinut olla planeettoja, koska silloin ei ollut raskaita aineita. Lyhyessä ajassa niitä alkoi kuitenkin levitä avaruuteen, kun massiiviset tähdet räjähtelivät.

Barbaari
Seuraa 
Viestejä13621
Liittynyt4.10.2007
Neutroni
Deus Ex
Kuinka pian universumin synnyn jälkeen tähtiä alkoi muodostua?



Muistaakseni kohtalaisen pian. Ensimmäisten tähtien ominaisuuksista näkyy kylä ristiriitaista tietoa, joten viimeistä sanaa ei liene sanottu.



Ensimmäiset tähdet koostuivat vedystä ja heliumista ja siksi eroavat nykyisistä jonkin verran. Kevyempiä ja siten suurempia tähtiä jostain luin myös että siten myös lyhyt ikäisempiä.

Monesko tähtisukupolvi on nyt menossa? Toinen kolmas



Koska tähtien iät vaihtelevat suuresti, ei niitä voi jakaa tuolla tavalla sukupolviin. Hieman aurinkoa kevyemmät tähdet voivat olla alkuvaiheessa syntyneitä, koska ne ovat hyvin pitkäikäisiä. Toisaalta massiivisimmat tähdet elävät vain muutamia miljoonia vuosia, minkä jälkeen ne räjähtävät ja ainekset sekoittuvat muiden jäännösten ja alkuperäisen kaasun kanssa muodostamaan aikanaan uusia tähtiä.



Eikö yleisessä käsityksessä ole että käynnissä olisi kolmas tähtisukupolvi tai ainakin meidän aurinkokuntamme koostumuksesta voisi niin päätellä.Toki sukupolvet menevät päällekkäin. Jostain luin myös että elämme sitä maailmankaikkeuden vaihetta jossa on tähtiä kaikista eniten. Nykyään trendinä on että tähtiä tuhoutuu enempi mitä syntyy. Havaitsemme teleskoopeillamme ajallisesti aikaisempaa maailmankaikkeutta.

Mistä kaikki raskaat alkuaineet ovat tulleet?



Tähdistähän ne, heliumia lukuunottamatta.



Heliumiakin syntyy tähdissä ja sen tietenkin tiesitkin. Ei ole tarkoitus näsäviisastella.

Kuinka paljon muinaisten tähtien jäännöksiä on löydetty suhteessa aktiivisten tehtien määrään?



Aika vähän, koska jäännökset ovat himmeitä ja huomaamattomia. Havaittujen jäännösten määrä on kuitenkin käsittääkseni ihan sopusoinnussa vallitsevien astronomisten mallien kanssa.



Onko ensimmäisen tai toisen sukupolven tähdillä ollenkaan raskaammista alkuaineista koostuvia planeettoja?



Ensimmäisillä tähdillä ei voinut olla planeettoja, koska silloin ei ollut raskaita aineita. Lyhyessä ajassa niitä alkoi kuitenkin levitä avaruuteen, kun massiiviset tähdet räjähtelivät.



Voi olla planeettoja mutta koostuvat vedystä ja heliumista. Sitä emme voi tietää.

Nykyisenkaltainen aurinkokuntamme on kuitenkin saanut alkunsa supernovajäänteistä ja aurinkokunnan muodostuminen on nykytietämyksen mukaan tarvinnut vielä läheisen tähden supernovan jonka shokkiaalto on litistänyt kiekkomaiseksi toimivaksi systeemiksi.

Tähtisukupolvet ovat tietenkin menneet päällekkäin ja ensimmäisen sukupolven tähdet ovat voineet saada aikaisemmin räjähtäneiltä tähdiltä shokkiaaltoja ja raskaampia alkuaineitakin.

Vierailija

HUDF (http://fi.wikipedia.org/wiki/Hubble_Ultra_Deep_Field) on ilmeisesti kaukaisin ihmisten näkemä kohde avaruudessa. Kaukaisin sekä etäisyydeltään, että ajallisesti. Etäisimpien kohteiden punasiirtymien perusteella voidaan sanoa, että kuvassa näkyy avaruutta noin 13 miljardin valovuoden matkalta, mikä tekee siitä syvimmälle maailmankaikkeuteen näkevän optisen alueen kuvan maailmassa. Jos maailmankaikkeus syntyi 13,7 miljardia vuotta sitten ja HUDF:n kaukaisimmat kohteet ovat yhtä kaukana niin emmekö tavallaan näe maailmankaikkeuden synnyn hetkiin tai ainakin hyvin lähelle sitä. Näkemämme tähdet ovat niitä "ensimmäisen sukupolven tähtiä"? Mistä tiedämme, että valo ei ole kiertänyt painovoiman vaikutuksesta ympyrää bumerangin tavoin ja kaukaisuudessa näkemämme kohteet ovat linnunradan ensimmäisen sukupolven tähtiä?

Vierailija
Deus Ex
Kun raskaiden alkuaineiden määrä maailmankaikkeudessa kasvaa ajan kuluessa kasvaako myös universumin massa?



Ei, massan jakauma vain muuttuu.

Vierailija
Deus Ex
Näkemämme tähdet ovat niitä "ensimmäisen sukupolven tähtiä"? Mistä tiedämme, että valo ei ole kiertänyt painovoiman vaikutuksesta ympyrää bumerangin tavoin ja kaukaisuudessa näkemämme kohteet ovat linnunradan ensimmäisen sukupolven tähtiä?



En osaa vastata kysymykseen, mutta tähtien ikää miettiessä ei olla kuitenkaan pelkästään havaintojen varassa, vaan tähtien elinkaarta voidaan tarkastella teoreettisesti. Vanhimpien tähtien ikä on tietääkseni melko lähellä maailmankaikkeuden arvioitua ikää.

Edit: Ikä, ei elinikä.

Vierailija

Sait tuolla aluksi jo pari hyvää vastausta. Jatkan vielä vähän seikkaperäisemmin alkuperäisiin kysymyksiisi.

Deus Ex
"Nykyinen käsitys maailmankaikkeuden alusta on alkuräjähdysteoria. Teorian mukaan maailmankaikkeus syntyi äärimmäisen tiheästä ja kuumasta tilasta noin 13,7 miljardia vuotta (13,7 Ga) sitten ja on siitä lähtien laajentunut jatkuvasti."
Teorioiden mukaan muutama sata tuhatta vuotta alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeudessa oli alkuaineista vain vetyä ja heliumia (ja pikkuriikkisen litiumia). Tähtitieteilijöillä on historiallisista syistä vähän omintakeinen tapa nimittää vetyä ja heliumia lukuunottamatta kaikkia muita alkuaineita metalleiksi. Nuoressa maailmankaikkeudessa ei siis ollut metalleja.

Kuinka pian universumin synnyn jälkeen tähtiä alkoi muodostua?
Ensimmäisten tähtien oletetaan muodostuneen noin 100-250 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Nämä populaation III tähdet koostuivat vedystä ja heliumista, eli ne eivät olleet metallipitoisia. Populaation III tähtien oletetaan olleen myös hyvin massiivisia.

Mistä kaikki raskaat alkuaineet ovat tulleet?
Populaation III tähtien suurista massoista johtuen ne paloivat loppuun jo miljoonissa vuosissa ja räjähtivät supernovina. Ennen räjähdystään ne tuottivat fuusioreaktioissa raskaampia alkuaineita rautaan asti. Itse supernovaräjähdyksissä syntyi lisää muita raskaita alkuaineita. Tähden räjähtäessä alkuaineet levisivät avaruuteen. Nuoren maailmakaikkeuden metallisuus siis kasvoi tähdissä syntyneiden alkuaineiden myötä.

Sama prosessi jatkuu yhä: raskaita alkuaineita syntyy sekä tähtien fuusioprosesseissa, että niiden supernovaräjähdyksissä. Tähden kuollessa alkuaineet leviävät avaruuteen joko räjähdyksessä tai puhaltumalla.

Massiiviset populaation III tähdet jättivät jälkeensä myös mustia aukkoja. Ne ovat voineet olla yksi merkittävä tekijä ensimmäisten protogalaksien ja kvasaarien muodostumisessa.

Monesko tähtisukupolvi on nyt menossa? Toinen kolmas?
Tähtitieteilijät jaottelevat tähdet kolmeen populaatioon: populaatioihin I, II ja III. Näistä nuo ammoiset populaation III tähdet ovat vanhimpia. Vanhoja populaation II tähtiä on yhä runsaasti olemassa mm. Linnunrataa kiertävissä pallomaisissa tähtijoukoissa, Linnunrataa ympäröivässä halossa ja Linnunradan kiekon ylä- ja alapuolella. Kiekon keskiosa koostuu pääasiassa moderneista populaation I tähdistä. Aurinko on tällainen populaation I tähti.

Tähdet jaotellaan eri populaatioihin niiden metallisuuden mukaan. Mitä enemmän tähdessä on muitakin alkuaineita kuin vetyä ja heliumia, sitä selvemmin se kuuluu populaatioon I. Populaation II tähdet ovat metalliköyhiä, sillä ne ovat syntyneet aikana, jolloin metalleja oli vielä vähän. Ensimmäisissä populaation III tähdissä ei ollut metalleja lainkaan, sillä nuori maailmakaikkeus koostui vedystä ja heliumista (plus aavistus litiumia).

Kuinka paljon muinaisten tähtien jäännöksiä on löydetty suhteessa aktiivisten tehtien määrään?
Populaation III tähdistä ei ole suoria havaintoja. Mutta niistä on mahdollisesti saatu muutamia viitteitä.

Tämä infrapunateleskooppi Spitzerin ottama kuva saattaisi esittää populaation III tähtien loistetta nuoressa maailmankaikkeudessa. Mutta yksi pääsky ei tee kesää ja kriitikot sanovatkin kuvan voivan esittää läheisiä himmeitä galaksejakin. (A. Kashlinsky et al, Tracing the first stars with fluctuations of the cosmic infrared background, 2005, Nature 438, 45)

Populaation III tähtien syntyessä maailmankaikkeus ei ollut yhtä läpinäkyvä kuin nykyään, vaan tähtiä ympäröi neutraalin vedyn "usva". Ultraviolettisäteilyllään populaation III tähdet ajan myötä ionisoivat vedyn (re-ionisaatio).

Tammikuussa uutisoitiin mystisen kosmisen radiosignaalin löytymisestä. Yksi ehdotus havainnon selitykseksi oli, että signaali voisi olla peräisin populaation III tähtien supernovaräjähdyksistä. Mutta voihan se olla jotain muutakin.

Havainto oletetuista populaation III tähdistä on yksi tähtieteen tavoitelluista "graalin maljoista". Ehkä semmoinen vielä saadaankin instrumenttien kehittyessä. Tässä(kin) suhteessa pidän peukkuja tuleville infrapunaa havaitseville avaruusteleskoopeille Herschelille (2009) ja JWST:lle (2013). Ehkä niillä sitten tärppää.

Onko ensimmäisen tai toisen sukupolven tähdillä ollenkaan raskaammista alkuaineista koostuvia planeettoja?
Populaation III tähdillä ei tällaisia planeettoja voinut olla, ehkä vedystä ja heliumista koostuvia kaasuplaneettoja jos niitäkään. Mutta populaation II tähdillä muunkinlaiset planeetat olisivat mahdollisia - niiden koostumusta en uskalla lähteä veikkailemaan.

Vierailija
Deus Ex
HUDF (http://fi.wikipedia.org/wiki/Hubble_Ultra_Deep_Field) on ilmeisesti kaukaisin ihmisten näkemä kohde avaruudessa. Kaukaisin sekä etäisyydeltään, että ajallisesti. Etäisimpien kohteiden punasiirtymien perusteella voidaan sanoa, että kuvassa näkyy avaruutta noin 13 miljardin valovuoden matkalta, mikä tekee siitä syvimmälle maailmankaikkeuteen näkevän optisen alueen kuvan maailmassa.
Huomaa sanat "optisen alueen kuva" - se viittaa näkyvän valon aallonpituusalueeseen. Vielä kaukaisemmat kohteet eivät näy optisella alueella, vaan kosmologisen punasiirtymän vuoksi niiden valo on siirtynyt infrapuna-alueelle. Siksi kahdella tulevalla avaruuteen laukaistavalla infrapunateleskoopilla Herschelillä ja JWST:llä tulee varmasti löytymään paljon uutta mielenkiintoista maailmankaikkeuden historiastakin.

Deus Ex
Jos maailmankaikkeus syntyi 13,7 miljardia vuotta sitten ja HUDF:n kaukaisimmat kohteet ovat yhtä kaukana niin emmekö tavallaan näe maailmankaikkeuden synnyn hetkiin tai ainakin hyvin lähelle sitä.
Näemme tuossa kuvassa toki kauas ajassa, mutta emme kuitenkaan maailmankaikkeuden synnyn tai vielä populaation III tähtienkään aikaan.

Näkemämme tähdet ovat niitä "ensimmäisen sukupolven tähtiä"?
Eivät ole. Kuvassa on kaukaisia galakseja. Oletettujen populaation III tähtien syntyessä ei ollut vielä galakseja. Noissa muinaisissa galakseissa näkynee siis populaation II tähtiä.

Mistä tiedämme, että valo ei ole kiertänyt painovoiman vaikutuksesta ympyrää bumerangin tavoin ja kaukaisuudessa näkemämme kohteet ovat linnunradan ensimmäisen sukupolven tähtiä?
En osaa sanoa bumerangiefektistä, mutta eri populaation tähdet on mahdollista erottaa mittaamalla niiden metallisuus niiden spektristä. Spektri voidaan ottaa myös galaksista - jos se on kemiallisesti monipuolinen (metallinen), ei se voi koostua ensimmäisen sukupolven tähdistä.

Vierailija

Pikakysymys,

Missä vaiheessa ensimmäiset galaksit muodostuivat teoreettisesti ja mitkä ovat vanhimmat havaitut galaksit?

Vierailija
linkki
Deus Ex
Kun raskaiden alkuaineiden määrä maailmankaikkeudessa kasvaa ajan kuluessa kasvaako myös universumin massa?



Ei, massan jakauma vain muuttuu.



Periaatteessa massa pienenee.

Vierailija
Menchi
linkki
Deus Ex
Kun raskaiden alkuaineiden määrä maailmankaikkeudessa kasvaa ajan kuluessa kasvaako myös universumin massa?



Ei, massan jakauma vain muuttuu.



Periaatteessa massa pienenee.



Eikä edes periaatteessa vaan ihan käytännössä ja teoriassakin.

Fuusiossa osa massasta muuttuu energiaksi, mm. tähdistä lähteväksi sähkömagneettiseksi säteilyksi, josta osa nähdään myös visuaalisesti havaittavana valona.

Vierailija

Menchi kirjoitti: "Periaatteessa massa pienenee."

Niin, siis: jos vedystä koostuva tähti fuusioituu pikkuhiljaa heliumiksi, muutaman prosentin "hyötysuhteella", eli muuttuen fuusioituessa sähkömagneettiseksi säteilyksi, kyllä maalaisjärjen mukaan tähden massa pienenee kaiken aikaa.
Mutta tiedetäänkö kaikki prosessit, pimeät massat/energiat jne.? Tähden massa pienenee, mutta miten käy Universumin massalle?

Vierailija

Jos jokaisen galaksin keskustassa on musta-aukko(?), voisiko se olla peräisin massiivisesta tyypin III alkutähdestä ja galaksin muu aines syntyä sen supernovaräjähdyksestä?

Kiitokset erityisesti Spinolle mielenkiintoisista vastauksista.

Vierailija
Hans Lankar
Menchi kirjoitti: "Periaatteessa massa pienenee."

Niin, siis: jos vedystä koostuva tähti fuusioituu pikkuhiljaa heliumiksi, muutaman prosentin "hyötysuhteella", eli muuttuen fuusioituessa sähkömagneettiseksi säteilyksi, kyllä maalaisjärjen mukaan tähden massa pienenee kaiken aikaa.
Mutta tiedetäänkö kaikki prosessit, pimeät massat/energiat jne.? Tähden massa pienenee, mutta miten käy Universumin massalle?




Luontaisesti energia muuttuu massaksi suurienergisten kosmisten hiukkasten törmätessä toisiinsa sekä hiukkaskiihdyttimissä.

Tämä on (oletetaan olevan) häviävän pieni määrä verrattuna tähtien fuusioreaktioissa tapahtuvaan massan energiaksi muuttumiseen. Energian määrä siis lisääntyy ja massan määrä vähenee koko ajan. Mitään ei kuitenkaan "häviä".

Sivut

Uusimmat

Suosituimmat