DŽIN, PATULJAK I KOMŠIJINA ŽENA

Galaksija NGC3147 je jedna mala i neugledna mrljica u severnom sazvežđu Zmaja (Draco). Njeno jezgro je, međutim, sve potpuno suprotno: sjajno i upadljivo a položaj galaksije koju gledamo pod uglom od 90 stepeni nam pomaže u analizi jezgra. Ukupno 30x30sec je eksponirano kroz teleskop i dobijeni su nekakvi detalji; galaksija je udaljena 130 miliona svetlosnih godina (+/-30 miliona) i ovolika nesigurnost u distanci mora da može nekako da se eliminiše. Treba nam dakle nešto.

Astronom Carl Seyfert svakako nije bio prvi koji je upotrebio spektroskop u astronomiji. Nije ni prvi okrenuo spektroskop ka maglinama, naročito onim spiralnim. Nije ni prvi zapazio da one imaju sasvim drugačiji spektar od emisionih maglina, a naročito drugačije izgledaju od zvezdanih spekatara. Ali je bio prvi koji je analizirao čitavu jednu grupu spiralnih maglina koje imaju veoma sjajna jezgra i u čijem spektru dominiraju (svetle) emisione linije, umesto očekivane šume tamnih apsorpcionih linija. Takvi objekti spadaju u grupu koja se danas naziva po njemu, osim ulice u kojoj je doživeo fatalnu saobraćajku koja takođe nosi ime po njemu. Ova galaksija, dakle, spada u Sejfertove.

Ovde dalje ne ide bez (zaista) kratkog uvoda u spektroskopiju. U principu kad atom prelazi iz višeg u niže energetsko stanje ili obrnuto, odnosno kad elektron u atomskom omotaču menja svoje stanje, on se oslobađa energije odnosno emituje ili apsorbuje foton. Foton je zapravo fundamentalna moneta energije u Univerzumu i nas sad zanimaju fotoni koji se emituju u vidljivom delu spektra. Mi te fotone hvatamo prizmama i dalje razlažemo na njihov spektar, koji dalje može da bude podeljen na tri osnovne grupe:

A)  Emisioni spektar. Za svaki atom ili molekul, za svaki element ili jedinjenje imamo elektrone koji, u zavisnosti od situacije i potrebe, prelaze u više ili niže energetsko stanje. Kad prelaze u više stanje, ne dešava se ništa što mi možemo da registrujemo kao emisiju, budući da se apsorbuje prolazeći foton i time elektron dobija energiju. Više o tome kasnije. Ali kad prelazi na niže stanje onda se oslobađa foton odnosno energija. Upravo ta tranzicija nosi suštinu: emisija dotičnog fotona ima neke pikove u elektromagnetskom smislu koji se dešavaju na tačno određenim frekvencijama koje su karakteristične za taj tip atoma. Zato mi te pikove izdvajamo prizmama i onda možemo taj svojevrsni vizuelni potpis određenog atoma da izdvojimo - primera radi emisioni spektar vodonika je sastavljen iz uskih emisionih linija ljubičaste, plave i tirkizne boje, uz jednu malo širu tamnocrvenu (da, to je čuvena hidrogen-alfa linija). 

U praksi mi imamo kod jedinjenja ili mešavine jedinjenja čitavu zbrku izmešanih emisionih spektara i onda analiza postaje malo kompleksnija.

B) Apsorpcioni spektar. Ovde se radi o obrnutoj situaciji - elektron prelazi u više stanje. Naravno da nema emisije, kao što je i napomenuto, ali se dešava nešto drugo. U principu ovde merimo interakciju svetlosti sa apsorbujućim medijumom, najčešće gasom ali i bilo čime drugim što je dovoljno transparentno: prašina, tečnost ili kristal recimo. Od emisionog spektra koji ima svetle linije vi ćete dobiti nešto sasvim obrnuto: tamne apsorpcione pruge na svetloj pozadini. Upravo na tim prugama je medijum vršio apsorpciju fotona jer je apsorbovao ne svetlost već foton na potpuno suprotan način u odnosu na emisiju: prelazeći na više energetsko stanje. I sam potpis te apsorpcije je takođe specifičan za određene elemente odnosno hemijska jedinjenja. Primera radi, Sunčev spektar je jedna kontinuirana svetla spektralna traka ispresecana mnogobrojnim tamnim linijama. Te linije su mesta gde su gasovi Sunčeve atmosfere apsorbovali fotone koji dolaze sa površine Sunca i na osnovu tih tamnih linija mi možemo da izvlačimo zaključke o sastavu medijuma koji vrši apsorpciju, tj o sastavu atmosfere.

Jako je bitno naglasiti da apsorpcioni spektar nije naprosto negativ emisionog spektra, odnosno ne možemo jedan prosto invertovati u drugi. Zapravo položaj linija je istovetan, ali njihov intenzitet nije. Svetle i tamne linije za jedan i drugi tip spektra se za isti element ipak razlikuju, a dobra je vest da se jedan spektar može izračunati iz drugog pomoću Ajnštajnovih koeficijenata. Loša je vest da to traži solidno predznanje iz kvantne mehanike.

Mlađani Jozef Fraunhofer je u vreme Drugog Srpskog ustanka opisao preko 500 tih tamnih linija u Sunčevom spektru, precizno mereći njihove žižne daljine, ali nije imao jasnu predstavu šta je to. Pola veka kasnije su Kirhof i Bunzen palili određene elemente u laboratoriji na vrlo jakom plameniku a onda su gledali spektar tog plamena. Za pojedine tamne linije u Sunčevom spektru se ispostavilo da u potpunosti odgovaraju svetlim linijama nekih elemenata spaljenih u laboratoriji, samo što su to okrenuli kao u priči sa pozitivom i negativom. Vrlo oštroumno su zaključili da te tamne linije zapravo predstavljaju apsorpciju pozadinskog svetla od upravo tih elemenata koji na tim frekvencijama mogu da daju svetle linije kad se spale.

C) kontinualni spektar: u oba gorepomenuta slučaja elektron prelazi na više ili niže stanje ali ostaje vlasništvo atoma. U slučaju da elektron napusti atom onda se stvara kontinuirana masa boja, klasičan ceo spektar praktično i to je znak da imamo materiju u kojoj dominiraju jonizovani atomi i elektroni koji su ih napustili. Sunčev spektar je ponovo dobar primer toga, pošto se malobrojne tamne apsorpcione linije nalaze na veoma svetloj pozadini kontinualnog spektra kojim Sunce zrači.

U principu emisioni spektar je lako zamisliti kao staru neprozirnu zavesu na prozoru koja ima rupice po sebi i kroz te rupe prolazi dnevna svetlost. Apsorpcioni spektar bi onda bio nešto drugo: nema zavese ali tu su mrlje od prljavštine na prozoru kroz koji (opet) ulazi dnevna svetlost. A kontinualni spektar je dnevna svetlost.

Vratimo se na osnovnu temu. Sejfertova aktivna galaktička jezgra imaju osobinu da emituju jaku svetlost u vizuelnom opsegu, ali i u infracrvenom - tu se nalaze neke od upadljivijih emisionih linija. Gledano vizuelno ili fotografski kroz teleskop, ova jezgra su stelarna i veoma sjajna. Na vremenskoj skali od nekoliko godina sva pokazuju varijacije, a neke varijacije idu i do nekoliko sati - nema boljeg dokaza da se radi o prostorno veoma malim objektima, a ujedno i veoma masivnim i energetskim. Naravno, sjaj ne pripada crnoj rupi koja je u centru, već njenom akrecionom disku po današnjim shvatanjima, ali to ne menja opšti utisak da je reč o vrlo nasilnim procesima. U principu sjaj aktivnog galaktičkog jezgra je jednak sjaju ostatka čitave galaksije, dok je kod kvazara taj odnos i do 100:1.  

Spektroskopski mi danas imamo Seyfert I i II tip, sa čitavom paletom prelaznih oblika među galaksijama. Zapravo Sejfertove galaksije su veoma česte u svemiru, možda i čak jedna petina svih galaksija pokazuje ove karakteristike, ali treba imati u vidu da je ova emisija zbog položaja u prostoru ili naslaga prašine veoma često skrivena našoj perspektivi. Vezano za gorepomenutu NGC3147 imamo supermasivnu ali izgladnelu crnu rupu koja skoro nije ništa doručkovala, ali zato neposredno pored nje stoji usijani disk materijala koji lagano pada na nju velikom brzinom. Brzina je oko 10% brzine svetlosti a to daje čudan efekat da je deo diska koji rotira ka nama upadljivo sjajniji, dok deo koji odlazi na suprotnu stranu skoro da nije vidljiv. Slična situacija postoji i kod džeta u M87: jedan džet je usmeren skoro potpuno ka nama i on je vidljiv (čak i u mom teleskopu) dok je drugi džet, usmeren od nas, potpuno nevidljiv čak i Hablu.

Uopštena podela kataklizmičnih varijabilnih zvezda ide na supernove i sve ostale (klasične nove, rekurentne, patuljaste...). U svim slučajevima, dakle i kod supernove i kod nove imamo sistem od dve zvezde koje rotiraju relativno blizu jedna drugoj. Naravno da je jedna beli patuljak a druga crveni džin, ali to je samo ako gledamo njihove prečnike - ako gledamo masu patuljak je često masivniji od džina. 

Razlog zašto imamo razliku u prečnicima i generalno strukturi ove dve zvezde je veoma prost: one se nalaze na različitim stadijumima sopstvene evolucije. Možda su počele sa istom masom i istim sastavom, možda bi stoga trebale i da imaju sličan razvojni put, ali je činjenica da se nalaze na različitim delovima svog puta hronološki gledano. Recimo da je crveni džin zvezda koja je dobrim delom potrošila svoje vodonično gorivo u centru dok je beli patuljak odavno prošao tu fazu - on je potrošio baš sve što je moglo da se potroši. Crveni džin ima vrelo jezgro i hladniji crveni omotač, dok beli patuljak ima samo to vrelo jezgro.

Evoluciju sam više puta opisivao, ali je bitna pa nije zgoreg ponoviti (pojednostavljen) opis. Svaka zvezda sama po sebi i u sebi objedinjuje dva suprotna procesa: težnju da fuzija izbaci materijal na sve strane i težnju gravitacije da zvezdu sažme u crnu rupu. Oba ova procesa su sve vreme u ravnoteži inače zvezde ne bi ni postojale. Problem je u tome što fuzija predstavlja u suštini hemijski proces koji podrazumeva da postoji gorivo i da postoje uslovi za fuziju, inače fuzije nema; a gravitacija ne traži preduslove već deluje uvek i svuda, bez izuzetka. Dakle fuzija može i da omane, ali gravitacija sa tolikom masom ne može da omane. To je kao gejzir u Jeloustonu: dok postoji priliv vrele vode odozdo gejzir će raditi i biti u ekvilibrijumu, kad prestane onda se sve gasi i voda pada dole u jezero.

Zamislite zvezdu koja se ugasila u svom jezgru, odnosno koja je potrošila vodonik. Gejzir je presušio, gravitacija onda preseže. Naravno da sledi kontrakcija njenog jezgra u mnogo manje i zbijenije jezgro, ali ovaj proces nije moguć bez usputnog povećanja temperature jezgra i to je upravo ključ cele priče. Vrelo jezgro zapravo odbija spoljne slojeve sastavljene od lakih gasova i zato je dotična zvezda zapravo i postala crveni džin. Spoljni slojevi nisu oštro nacrtani kako mi uobičajeno zamišljamo nebeska tela pa i zvezde, već ovaj redak crveno-usijani gas zapravo neoštro isparava u zvezdinu koronu, odnosno plazmatski deo atmosfere. Crveni džin je jedan običan usijani oblak u suštini, sa termonuklearnom bombom doduše u sebi koja otkucava.

Kad se potroši vodonik u centru, sledi fuzija istog u tankom sloju (ljusci) koji napreduje ka površini i gasi se kad se vodonik potroši. Ako je zvezda masivnija onda se preostalo gorivo u jezgru pali i sledi fuzija helijuma po istom principu, pa onda fuzija težih elemenata itd. Nakon svakog stadijuma preostala materija u jezgru se dalje komprimuje (pošto nastaju sve teži elementi, a oni logično imaju sve manju zapreminu, kilogram olova i kilogram vodonika nisu iste zapremine) a kako se komprimuje tako se i zagreva. Na kraju krajeva od zvezde ostane samo zbijena degenerisana masa, veoma mala, teška ali i vrela i to je beli patuljak, jezgro zvezde čija je lakša polovina u vidu gasova otplovila unaokolo, čineći planetarnu maglinu.

U bilo kom stadijumu koji je ovde nabrojan zvezda može da zastane i da tako nastane beli patuljak; ali ako se u ovom procesu ide do kraja, odnosno ako je zvezda u startu toliko masivna da sukcesivne fuzije u jezgru idu do silicijuma i gvožđa onda nema dalje. Gvožđe ne podleže fuziji bez obzira na pritisak ili temperaturu, a kad gvozdeno jezgro naraste do Čandrasekarove granice (u proseku 1.3-1.8 masa Sunca) onda se gvozdena kugla unutar zvezde ruši. Zapravo ova masa je toliko velika a ujedno toliko mala po zapremini da je u stanju da skrši fundamentalnu granicu prirode - pritisak degeneracije elektrona. Naime, unutar belog patuljka imamo pozitivno jonizovana jezgra i negativne slobodne elektrone. Sve je ovo prilično gusto napakovano i onda gravitacija između tako velike mase na malom prostoru dostiže neslućene vrednosti.

Kao i obično, postoji granica i upravo to je Čandrasekar opisao: gravitacija preseže i sve se lomi kao kula od karata, u roku od par sekundi. Radi se o tome da gvozdeni nukleusi u tom momentu masovno primaju elektrone pod pritiskom i tako nastaje supernova tip I: kompletan materijal od kog je patuljak sazdan se raznosi po svemiru početnom brzinom od 6% brzine svetlosti. I evo tog patuljka u NGC3147 koji je eksplodirao na 130 miliona svetlosnih godina odavde, i koga bez te eksplozije niko nikad ne bi mogao da detektuje - na mom snimku je oko petnaeste magnitude:

 

Supernova koja je u pitanju nosi oznaku SN2021hpr i, kao što je napomenuto, predstavlja tip I, odnosno patuljka u binarnom sistemu koji raste preko Čandrasekarove granice. Ovo su eksplozije veoma ujednačenog sjaja i mogu se koristiti (i koriste se) u određivanju distance. Tip II su gigantske mlade zvezde koje eksplodiraju usled degradacije svog jezgra koje je sastavljeno od gvožđa. Takvo jezgro pređe Čandrasekarovu graničnu masu i implodira, spoljni slojevi prate imploziju a onda se sve odbije samo od sebe i pretvori u gigantsku eksploziju.

Razlika između tipa I i II je pre svega spektroskopski uočljiva: prve supernove nemaju a druge imaju vodonik u svojim spektrima. To je i logično: mali patuljak je sastavljen pre svega od degenerisane i potrošene materije, premda ukrade i nešto vodonika od komšije. Velika masivna zvezda, naprotiv, ima procentualno gledano malo gvozdeno jezgro i veoma velike spoljne slojeve sastavljene iz lakih elemenata, najviše vodonika i helijuma. U njihovom spektru se nalazi apsorpcioni potpis vodonika: tamne Balmerove linije.

Švajcarac Johann Balmer je u preprošlom veku radio kao profesor matematike i nije se mnogo petljao u druge nauke, osim kad mu je kolega fizičar Hagenbah preporučio da matematički pogleda malo spektralne linije vodonika, možda nešto pametno pronađe. Balmer je u svojih šezdesetak godina potom napravio svoje životno otkriće, budući da su spektralne emisione linije, njih četiri, bile tako raspoređene po frekvencijama da je on mogao da empirijski nađe formulu koja ih opisuje. Još bolje: formula je opisivala i neke nove, još neotkrivene (ultraljubičaste) linije koje su kasnije zaista pronađene. Suština je da sve ove linije, od crvene desno pa idući ka plavoj, postaju sve gušće grupisane i da se asimptotski ređaju prema frekvenciji 364.5nm. Balmer je to ubacio u svoju formulu i iz nje se od jedne frekvencije gde stoji emisiona linija mogu izračunati recimo sledeće spektralne linije - briljantno, ali 1885. godine potpuno teorijski nejasno. Trebalo je da prođe nekoliko decenija pa da Nils Bor objasni prelazak elektrona sa jedne na drugu orbitalu i emisiju ili apsorpciju energije (fotona). Tranzicije dakle emituju foton i to se označava u spektru počevši od najsjanije udesno, dakle tamnocrvene linije, kao alfa, beta, gama itd. Tako smo dobili famoznu oznaku H-alpha, a to je zapravo frekvencija na kojoj se odvija emisija prelaska elektrona sa trećeg na drugi nivo, uz emisiju fotona pink boje.

Ajmo sad na praktičnu astronomiju. Ako se sve uzme u obzir (korekcija za boju, ekstinkciju u našoj i tuđoj galaksiji, korekcija kosmološke distance i još sto drugih faktora) onda bi supernova tip Ia, kao naš patuljak, sa pikom na 16.00mag trebala da ima distancu otpriike 375 miliona svetlosnih godina. Naš patuljak je u V bendu imao pik oko 14.2mag, dakle nepune dve magnitude je sjajniji, distanca bi onda trebala da bude oko 117 miliona svetlosnih godina. Međutim formule nisu za V bend: Peak apparent magnitude je 13.8mag, i onda formula daje 156 miliona svetlosnih godina. Prava vrednost koja je danas izračunata i prihvaćena je 146 miliona svetlosnih godina.

Proces porasta mase kod patuljka koji je goreopisan može i da ne dovede do supernove, odnosno može da zastane na nekoj od tih faza kao što je jednom već napomenuto. U tom slučaju može doći do kataklizmičkih eksplozija u kojima učestvuju samo spoljni slojevi patuljka, koji imaju manju masu i energiju, a posledično time osnovna struktura patuljka ispod njih nastavlja da živi. Ali nas to dalje zapravo i interesuje: ne mora svaki patuljak da bude pretvoren u supernovu. Ovde zapravo imamo belog patuljka (starijeg komšiju) i crvenog džina (mlađeg komšiju). Čak i ako imaju istu masu, patuljak ima ogromnu gravitaciju jer je ista fokusirana na malom prostoru; a džin ne može ni svoje spoljne slojeve da održi već oni lagano isparavaju.

Šta se dešava kad patuljak svojom enormnom gravitacijom privlači labave spoljne slojeve crvenog džina? Sasvim prirodno, gas se taloži na površini belog patuljka i, s vremena na vreme, može da se upali kroz fuziju vodonika. Eksplozije su gigantske ali nedovoljne da sruše strukturu patuljka, tako da je ovo zapravo definicija pojave nove. Proces može da se ponavlja više puta, a u retkim slučajevima može da dovede do prelaska Čandrasekarovog limita i pojave supernove.

Primer kataklizmičnog belog patuljka je označen ovde u donjem desnom uglu:

Crni humor, mala šala: naravno da nema ničeg na snimku iz 2021. godine. Nova je uočena tek početkom 2025. godine i u startu je pogrešno klasifikovana kao supernova AT2025ere. Primetimo da se na svim listama supernova ne nalazi ova oznaka, dakle zvezda je skinuta sa liste a oznaka je ostala neupotrebljena. Ovo je, dakle, primer belog patuljka u našoj galaksiji koji trpi povremene detonacije na svojoj površini zato što je preuzeo gas sa susedne zvezde. Ako komšiji svojom gravitacijom preuzmete ženu, logično je da možete da očekujete batine.

A da vidimo kako izgleda jedan primer komšije, tj crvenog džina koji nije u stanju da održi svoje spoljne slojeve na okupu. Odnosno komšija koji nije u stanju da zadrži svoju ženu.

Ovo je Mira tip pulsirajuće promenljive (ispod Mire sto đavola vire) i radi se o crvenom džinu takođe u našoj galaksiji koji u svojim poslednjim stadijumima pulsira i u prečniku i u luminoznosti, kao i u spektru tj boji. Njena je sudbina da za nekoliko miliona godina postane beli patuljak okružen planetarnom maglinom. Ova Mira je poznata i kao DH Draconis, klasična dugoperiodična promenljiva; njena boja je stoga izuzetno crvena.

Uostalom, pogledajte animaciju kroz sva tri kanala. Na plavom kanalu je zvezda jedva uočljiva.