Tajemný život Slunce

Rebecca Beyle,
Scientific American 3-4/2019
https://www.scientificamerican.com/

Rebecca Beyle je oceněná novinářka na volné noze v St. Louis. Mn. Je přispívající autorkou pro Atlantic a její práce se pravidelně objevuje v publikacích New Scientist Wired, Papular Science a dalších publikacích a vyšla jí antologie v řadě Best American Science and Nature Writing.

NA POČÁTKU

nebylo nic než prázdnota a temnota mezi atomy, které se staly sluneční soustavou. Před 4,6 miliardami let nebylo žádné Slunce, jen nadýchaný oblak pozůstatků dřívějších hvězd, zaplněný prvky ukutými v předchozích kataklyzrnatech, jež přesahují naše chápání. A pak se něco stalo.

Možná, že do oblaku šťouchla gravitace nebeského poutníka, možná explodovala ještě vzdálenější hvězda, která uvolnila vítr jenž atomy rozcuchal, stejně jako vítr může navát listy na hromadu. V každém případě se atomy shromáždily a začaly se zahušťovat, až nakonec se materiál zahřál natolik, že započala fúze vodíku na helium. Zrodilo se Slunce a nedlouho poté také Země. Za necelou miliardu let poté vznikl první život, přinejmenším na této planetě -a teďjsme tady my.

Právě tento základní příběh nám věda vypráví už po celá desetiletí: zrození Slunce, poté nudný časový úsek a pak geneze. Ale výkonné nové kosmické dalekohledy a rostoucí pole „kosmochemie", stejně jako genealogické techniky vypůjčené z biologie, umožňují astronomům napsat pro Slunce mnohem bohatší a komplexnější biografii. Dnes je vědcům známo, že naše hvězda nebyla vždy osamocená. Kdysi měla sourozence, a možná dokonce přijala za svou jednu z jejich planet. Slunce a jeho planety měly - jak říkáme pro nedostatek méně antropomorfního slova — matku: obří hvězdu, jejíž krátký život poskytl embryonální materiál sluneční soustavě. Tento prekurzorový materiál mohl být izolován od zbytku galaxie po dobu nejméně 30 milionů let, což je dlouhá gestace, která odporuje rychlosti, jakou Slunce vytvářelo planety.

Dokonce i konečnou smrt Slunce nyní vidíme jinak. Astronomové vědí, že asi za pět miliard let spálí svou zásobu vodíku a začne se ochlazovat a nadouvat se do podoby opuchlého monstra, jehož vnější okraje možná naši planetu pohltí. Stále ale studují, jak smrtelné chroptění Slunce ovlivní mezihvězdné médium (plyn a prach, který vyplňuje prostor mezi hvězdami), strukturu budoucích hvězd a galaxie jako celku. Je možné, že se Slunce ve chvíli smrti samo stane matkou a umožní vznik nových hvězd, a možná i nových planet.

A když vědci poznávají více o minulosti, současnosti a budoucnosti Slunce, dělají více, než že by jen psali naši vlastní historii. Vesmír může mít nespočet hvězd, ale jen jednu můžeme znát důvěrně. Každý poznatek, který získáme, vrhá světlo na mnoho vzdálených nebeských těles, kterým nikdy nebudeme tak dobře rozumět.

Obr. 1 - PŘEDKOVÉ

Slunce možná mělo "matku", která se narodila několik desítek milionů let před ním a zemřela při výbuchu supernovy (obr. 1), která osela vesmír těžkými a radioaktivními prvky. Některé z nich skončily ve Slunci a planetách sluneční soustavy. Ve studii z roku 2012 astronomové tuto hvězdu nazvali "Coatlicue" po aztécké matce Slunce.

Obr. 2 - SOUROZENCI

Slunce se narodilo v oblaku plynu a prachu, když zkondenzovalo dost hmoty na to, aby se zažehla jaderná fúze. z tohoto oblaku se zřejmě zrodily stovky až desetitisíce dalších hvězd, které se staly příbuznými Slunce (obr. 2). Postupem času se tyto hvězdy rozpadly, ale vědci nedávno identifikovali kandidáta na alespoň jednoho ze sourozenců Slunce.

Obr. 3 - DĚTSTVÍ

Když bylo Slunce ještě mladé, kroužila kolem něj prachová zrna, aby se spojovala a vytvořila malá tělesa. Během pouhého jednoho milionu let se vytvořily asteroidy a za další milion let existovaly první skalnaté planety. Země se možná vytvořila mezi 38 miliony a 120 miliony let po narození Slunce.

Obr. 4 - SMRT

Za dalších pět miliard let slunce skončí. Je velmi pravděpodobné, že uvolní své vnější plynné vrstvy, které se vzdálí jako zářící planetární mlhoviny. Ve středu se zbytky slunečního jádra promění v malou, hustou hvězdu "bílého trpaslíka". Země a vnitřní planety budou v tomto bodě pryč (pohltilo je ve svých posledních letech Slunce), ale vnější asteroidy sluneční soustavy, jako například objekty Kuiperova pásu (obr. 4), vydrží.

PŘED SLUNCEM: PŘEDKOVÉ SLUNCE

Milióny let předtím, než se zažehlo Slunce, dříve než se stalo zábleskem v oku Mléčné dráhy, ovládali galaktickou čtvrť jeho předkové. Tyto dřívější hvězdy samy byly prapra...pravnoučaty prvních hvězd Galaxie a jejich generace jich čítala desítky tisíc. Během několika milionů let své vlastní tvorby začaly některé z nich umírat. Jejich násilná smrt osela galaktickou oblast jejími prvními těžkými prvky, jako jsou železo a hliník. Zbytky těchto hvězd daly vzniknout pozdějším generacím hvězd, včetně předků Slunce.

Astronomové rekonstruují tuto historii pomocí meteoritů, drobků zbylých ze zrodu sluneční soustavy. Badatelé porovnávají množství různých radioaktivních izotopů v meteoritech s těmi v mezihvězdném prostředí Galaxie, které je neustále vyplněno agónií nebeských těles. Odlišné množství těchto radioaktivních materiálů, které se zmenšuje v určitých časových úsecích, slouží jako hodiny pro astronomy, kteří se snaží zjistit, kdy byly stavební bloky sluneční soustavy konečně přítomny.

Sledováním jednoho radioizotopu, hliníku 26, Matthieu Gounelle z francouzského Národního přírodovědného muzea a Georges Meynet z Ženevské observatoře sledovali rodokmen Slunce tří generace nazpět. Hliník 26 je radioaktivní, s poločasem rozpadu asi 730 000 let - což znamená, že se během této doby polovina vzorku rozpadne. Nachází se v meteoritech datujících se k prvním dnům sluneční soustavy a mnoho astronomů předpokládá, že vznikl v supernově, která mohla explodovat blízko Slunce, když se tvořilo. Supernova, která by znamenala příležitost ke zrození sluneční soustavy, by však byla neobvyklá náhoda. Místo toho v roce 2012 a později Gounelle a Meynet ukázali, že hliník 26 mohl vzniknout uvnitř masivní hvězdy.

Tato hvězda musela být podle Gounellových a Meynetových výpočtů nejmasivnější v našem kosmickém rohu a představovala asi třicetinásobek hmotnosti Slunce. Stejně jako ostatní obří hvězdy prožila krátký, ale velkolepý život a explodovala několik milionů let poté, co se zažehla. Nejen že syntetizovala hliník 26, ale také by při své násilné smrti v podobě supernovy soustřeďovala proud vodíku, těžkých kovů a radioaktivních prvků do oblaku plynu, který se stal sluneční soustavou. Vědci pojmenovali tuto hvězdu „Coatlicue" po matce Slunce z aztécké kosmogonie.

Výzkum poskytl další vodítka k tomu, jak vznikly stavební bloky sluneční soustavy. Například v roce 2014 vědci v Austrálii ukázali, že některé těžké kovy, jako je zlato, stříbro a platina na Zemi a v meteoritech, dorazily do naší oblasti asi 100 milionů let před zrozením Slunce. Část prvků vzácných zemin, jako je neodym, dorazila do gestačního prostředí Slunce asi 30 milionů let před tím, než se utvořilo. Slunce se proto inkubovalo dlouhodobě, až 30 milionů let.

Ačkoli astronomové nedokážou cestovat zpět v čase, aby tento příběh ověřili, mohou jej porovnat s jinými planetárními systémy s podobným chemickým složením, říká Megan Bedellová, astrofyzika z Flatiron Institute v New Yorku. A časová Unie se jeví jako souvislá. „Vkládáme Slunce do kontextu s jeho sousedy a vidíme, že pokud jde o podmínky jeho vzniku, je to docela typická hvězda," říká.

Kromě sledování předků Slunce používají vědci také nástroje z biologie, aby hledali jeho bratrance, strýce a další příbuzné - širší rodokmen. Zatímco botanik by mohl použít DNA nebo zděděné rysy, aby spojil jeden druh rostliny s jiným, astronomové studují poměry chemických prvků v různých hvězdách, aby prozkoumali vztahy mezi nimi. Didier Fraix-Burnet, astronom působící nyní v Institutu planetologie a astrofyziky v Grenoblu ve Francii, byl jedním z prvních, kdo v roce 2001 tuto techniku navrhl. Podle kladistiky - termínu, který biologové používají k popisu techniky mapování zděděných znaků - ji nazval „astrokladistikou". V roce 2017 Paula Jofré z Diego Portales University v Chile a její kolegové použili tuto metodu k vytvoření hvězdného evolučního stromu pro okolí Slunce.

Ve spolupráci s biologem z Cambridgeské univerzity použil tým Jofré klastrový přístup z biologie zvaný distanční metoda, který vytváří evoluční strom, kde různé větve ukazují evoluční změnu. V astronomii větve reprezentují populace, které jsou oddělené ve věku a pohybových vzorech přes galaxii. Představte si dvě generace hvězd. První generace má dvě hvězdy: jednu velkou a jednu malou. Masivnější hvězda exploduje dříve a dá vzniknout hvězdě druhé generace stejným způsobem, jakým zemřel Coatlicue a porodil Slunce. „Druhá generace přináší informace z první generace. Jsou „geneticky" spojené, "říká Jofré. „Takže byste mohli najít hvězdu a jejího strýce."

Jofré a její kolegové zkoumali 22 blízkých hvězd podobných Slunci a zaměřili se na 17 chemických prvků jako zástupce DNA, aby určili „rodinné" vztahy. Jejich analýza seskupila hvězdy podle poměru prvků a roztřídila je do dvou známých rodin hvězd. Našli také některé, které patří do nové, dosud neznámé třetí skupiny, kterou Jofré stále ještě nedokáže přesně vysvětlit.

Obr. 5

Obr. 6

Na těchto fotografiích z let 2013 (obr. 5) a 2012 (obr. 6) vycházejí sluneční protuberance z povrchu Slunce. Erupce šlehají do vzdálenosti 50 000 až 260 000 kilometrů od povrchu Slunce.

ZRODILA SE HVĚZDA A JEJÍ SOUROZENCI

Od narození Coatlicue a jeho předků několik desítek miliónů let před tím, než se vytvořilo Slunce, se toho v rodném oblaku Slunce hodně dělo. Plyn se zhroutil a zapálil, přičemž utvářel další hvězdy. Když oživly, tlak jejich hvězdných větrů a světlo, které vyzařovaly, vytlačily blízký plyn směrem ven a nakonec spustily zrod ještě dalších hvězd: Slunce a jeho sourozenců. Odhady počtu těchto sourozenců se pohybují od několika set do desítek tisíc. Pravda je pravděpodobně na spodním konci, vzhledem k poměrně stabilnímu vyrovnání planet Slunce: bližší sourozenci by narušili sluneční soustavu, změnili by počet a umístění planet uvnitř ní.

I když se sourozenci Slunce narodili poměrně blízko u sebe, už dávno jde každý z nich vlastní cestou. Jak šly věky, někteří z nich vyvanuli v zapomnění a jiní se vzdalovali kvůli malým rozdílům v rychlosti, s jakou se otáčejí kolem středu Galaxie. Z jejich aktuálních pozic je nyní téměř nemožné vyčíst jejich místo původu. „Stejně jako já a můj bratr jsme vznikli společně, ale úplně jsme se vzdálili a dělali oddělené věci," říká Keith Hawkins, astronom z Kolumbijské univerzity. Říká, že chemické značení, také známé jako kosmochemie - například technika porovnávání poměrů určitých těžkých a lehkých prvků ve hvězdách — umožňuje vědcům vidět spojení mezi hvězdami, která by jinak byla neviditelná.

V roce 2014 se Ivan Ramirez vydal hledat sourozence Slunce a jednoho našel. Ramírez, který je nyní profesorem na Tacoma Community College, začal asi s 30 kandidáty, které si vybral na základě jejich chemického složení a rychlosti a směru, kterými putují Mléčnou dráhou. Po další analýze těchto vlastností zúžil pole pouze na jednu hvězdu, nazvanou HD 162826. Je o 15% masivnější než Slunce a jen trochu modřejší, říká. Ačkoli se Slunce a jeho sourozenec utvořili blízko sebe, dnes je HD 162826 sto deset světelných let daleko v souhvězdí Herkula. Je viditelná nízko-výkonnými dalekohledy nad ramenem Herkula a nedaleko od jasné hvězdy Vega.

Ramírez říká, že jeho hledání se zčásti zrodilo z čistého zájmu, ale také chtěl otestovat strategie, které budou on a ostatní používat, když si z nového satelitu Gaia stáhnou olbřímí datové soubory. Kosmická sonda je určena k měření jasu hvězd a jejich přesné polohy na obloze a bude sledovat miliardu hvězd, aby vytvořila nejpodrobnější 3D mapu Galaxie, která kdy byla pořízena. Jeho poslední dávka dat, uvolněná v dubnu 2018, obsahuje přesná měření pro více než 1,3 miliardy hvězd. Toto číslo je více než o řád větší než předchozí nejlepší sada dat.

Ramírez si myslí, že Gaia pomůže astronomům najít asi polovinu ztracených sourozenců Slunce. Průzkum by tak mohl astronomům říci, v jakém prostředí se Slunce zrodilo, a jakou cestu Galaxií od té doby urazilo. Slunce obíhá dnes kolem galaktického středu rychlostí zhruba 200 kilometrů za sekundu a astronomové si myslí, že doposud podniklo alespoň 20 výletů okolo Galaxie.

DĚTSTVÍ:  VYTVOŘENÍ PLANET

Nedlouho poté, co se zažehlo Slunce a jeho sourozenci, se prachová zrna kolem mnoha — ne-li všech - hvězd začala shlukovat do planet. Přinejmenším v naší sluneční soustavě stavba planet probíhala závratnou rychlostí. Důkazy z meteoritů naznačují, že jakmile pevná látka zkondenzovala, trvalo méně než milion let, než vznikla první generace asteroidů. Z velké části poháněny rozpadem hliníku 26 se kusy skal zahřály a diferencovaly se do těles s kovovým jádrem a křemičitanovým pláštěm. Poměrně brzy pak vznikly větší skalnaté světy. Podle jednoho odhadu se Mars mohl utvořit během dvou milionů let. Země se vytvořila 38—120 miliónů let po Slunci.

Kolem té doby mohla naše hvězda zachytit planetu svého sourozence. Předpokládaná devátá planeta, teoretické obří těleso, o kterém astronomové myslí, že se skrývá na vnějších okrajích sluneční soustavy, může být bratrancem našeho světa, kterého Slunce přijalo za svého 100 milionů let po zrození naší hvězdy. Aby se takový scénář uskutečnil, musela devátá planeta obíhat svou původní hvězdu ve značné vzdálenosti, zhruba 100 až 500 krát větší, než je vzdálenost Země od Slunce (100 až 500 astronomických jednotek). Zároveň se tato hvězda musela přiblížit ke Slunci, svému sourozenci, na zhruba 1 5OOkrát větší vzdálenost. Tento typ hvězdného setkání probíhá poměrně často v jiných hvězdokupách, takže astronomové vědí, že je možný. Jsou-li planety velikosti Neptuna běžné, mnoho hvězd bude pravděpodobně hostit světy podobné deváté planetě na vysoce excentrických drahách, které je činí zranitelnými vůči únosům ze strany jiných hvězd.

Vroce 2016 Alexander Mustill a Melvyn Davies, oba na univerzitě v Lundu ve Švédsku, a Sean Raymond z Univerzity v Bordeaux ve Francii vypočítali, že Slunce mohlo mít několik příležitostí, jak zachytit devátou planetu. Je dokonce možné, že slunce tento svět ukořistilo, aniž by narušilo Kuiperův pás, kruh komet a planetek na okraji sluneční soustavy.

Další studium vnějších objektů sluneční soustavy pomůže teoretikům identifikovat rodiče deváté planety - pokud tato proslulá planeta opravdu existuje. A pokud ano, nemusí to být jediný vetřelec z jiné hvězdy, který by dorazil nebo se připojil k rodině Slunce. Vroce 2015 Eric Mamajek, tehdy na Rochesterské univerzitě, se svými kolegy ukázal, že před 70 000 lety - kdy se z Afriky šířili moderní lidé a ještě žili neandertálci — hvězda jménem Scholzova vstoupila do Oortova oblaku, kulového pláště ledových planetesimál, které obklopují slunce za oběžnou dráhou Pluta. Tato hvězda se přiblížila na méně než jeden světelný rok ke Slunci - podle studie z roku 2018, kterou vedl Carlos de la Fuente Marcos z Univerzity Complutense v Madridu, to byla ohromující rána, která přetvořila trajektorii některých objektů Oortova oblaku. Hvězda je dnes téměř 20 světelných let daleko. A astronomové vědí, že i menší cizí tělesa mohou někdy zaletět na návštěvu. Minulý podzim Slunce krátce uvítalo prvního známého cestovatele z vesmírné ciziny: mezihvězdný asteroid 1I, neboli ,Oumuamua. Potulná skála však cestovala příliš rychle na to, aby se mohla připojit ke sluneční svitě.

Zatímco Slunce tvořilo planety, měnilo se také ono samo. Bedellová, která strávila několik let snahou rozplést vztah mezi chemickým složením hvězdy a její historií tvorby planet, zkoumala soubor solárních dvojhvězd, které nejsou nutně z téže rodiny, ale jejichž chemické složení přesně odpovídá našemu Slunci.

Bedellová a její kolegové zjistili, že ve srovnání s jinými hvězdami je Slunce mírně neobvyklé v jedné klíčové věci: ve svých vnějších vrstvách má méně horninného materiálu než jiné hvězdy, které jsou mu podobné, a množství je zhruba ekvivalentní několika hmotnostem Země. Jedním z výkladů je, že tento materiál „byl uzamčen v planetách zemského typu nebo v jádrech plynových obrů a nyní chybí z vnější strany Slunce," říká. Pokud je to pravda, pak proces formování planet proměnil Slunce, stejně jako dávání zrození mění těla lidských žen.

Objev může také poskytnout nový způsob hledání exoplanet. Pokud astronomové zjistí, že jiné hvězdy podobné slunci mají o něco nižší množství prašného materiálu, mohou být schopni odvodit, že je obklopují i planety, říká Bedellová.

KONEC

Jednou, asi za pět miliard let, se Slunce spotřebuje zásoby vodíku ve svém jádře. Nabobtná ze své aktuální střední velikosti a nažloutlé barvy do červeného obra a ten pohltí nejbližší dvě, tři nebo možná čtyři planety. Země bude pravděpodobně blízko, ne-li uvnitř, povrchu zestárlého Slunce. Jádro Slunce se začne ochlazovat a jeho jaderná pec bude pomalu vyhasínat. Jak se bude dál rozrůstat do sluneční soustavy, jeho gravitační pole nebude schopno udržet jeho obří, difuzní vnější vrstvy. Jeho atmosféra odvane pryč do prostoru.

„Slunce se stane touto krásnou planetární mlhovinou, jejímž jádrem bude bílý trpaslík," říká Hawkins. Bílý trpaslík -malá, hustá hmota obsahující zbytky Slunce - se bude časem ochlazovat a bude plachtit galaxií po nesčetné věky do budoucnosti.

Mohlo by tedy Slunce založit novou rodinu? V roce 2016 Hans Van Winckel a Michel Hillenová, oba v Katholieke Universiteit Leuven v Belgii, ukázali, že hvězdy podobné Slunci by mohly ve svém stáří vytvořit novou dávku planet. Pomocí velmi velkého dalekohledu na vrcholku hory v poušti Atacama v Chile spatřili kolem staré umírající hvězdy horký disk prachu. Připomínal protoplanetární disk takového typu, do kterého se zahalují rodící se hvězdy. To znamená, že některé hvězdy - a možná i slunce - mohou získat druhou šanci na vytváření světů. Tento scénář by však byl pravděpodobnější v binárních systémech a naše hvězda je sama.

Když Slunce umře, to, co zůstane, se nakonec rozptýlí do mezihvězdného média, kde je nepravděpodobné, že by se přidalo k dalšímu materiálu, který by kondenzoval do nové hvězdy, říká Bedellová. ,Je poetičtější říci, že se rozptýlí a stane se součástí příští generace, kruhu života a toho všeho," říká. Slunce však pravděpodobně zemře „klidnou smrtí v odlehlé oblasti Galaxie." Nezůstane z něj nic, co by mohlo vyprávět příběh o jeho dobrodružném životě.

Mezitím jsme tady však my. Vše, co se o Slunci učíme, není jen pravda o našem koutku vesmíru, ale okno do mnoha hvězd, které nemůžeme studovat zblízka. „Slyšel jsem, že lidé v minulosti říkali, že se jedná o vyřešený problém," říká Bedell. „Ale stále je toho hodně, čeho nerozumíme." Pomalu, ale jistě to Slunce pomáhá měnit..

Obr. 8

Aktivní oblasti na Slunci, kde víří magnetická pole, tvoří sluneční skvrny, ukázané na obr. 8 bíle. Do největších z nich by se vešlo několik Zemí. K dolní části obrázku letí velký výběžek, který se právě oddělil.

CHCETE-LI  VĚDĚT VÍCE:

Solar System Genealogy Revealed by Extinct Short-Lived Radionuclides in Meteorites.

M. Gounelle a G.Meynet, Astronomy &Asfropftys/cs, svazek 545, ČI.A4, září 2012. Elemental Abundances of Solar Sibling Candidates. I. Ramirez a kol.,Astrophysical Journal, svazek 787, č. 2, článek č. 154,1. června 2014.

Z NAŠICH ARCHIVŮ:

On the Probable Origin and Age of the Sun. James Croll, 25 srpna 1877 The Great Solar Eclipse of 2017. Jay M. Pasachoff, srpen 2017