| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Vzteklí trpaslíci
Rudolf Mentzl
Největší hrozbu pro naši civilizaci představuje, vyjma civilizace samotné, naše SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. Čas od času vymrští do okolního vesmíru oblak nabitých částic, které mohou zasáhnout naši ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.. Záleží pak jen na síle slunečního vzplanutí, zda pouze dočasně ochromí komunikace nebo natrvalo zničí elektroniku družic, případně prostřednictvím magnetického pole naindukuje na dlouhých vedeních napětí, které spálí zařízení na jeho koncích. Pokud by bylo vzplanutí tak silné, jako v dobách pana Carringtona, odhadují se celosvětové škody v bilionech dolarů. Jak již bylo předesláno, utrpěla by jen naše civilizace, o život bychom se bát nemuseli. K podobným událostem dochází v horizontu staletí. Dávno bychom tu nebyli, kdyby nás atmosféraAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru. před radiací nedokázala ochránit. Jsou však planetární systémy, kterým vládne malý vzteklý červený trpaslíkČervený trpaslík – málo hmotná hvězda hlavní posloupnosti. Má spektrální třídu K, nebo M. Tomu odpovídá povrchová teplota 2 400 až 5 000 kelvinů s maximem vyzařování v červené oblasti (odsud pochází název těchto hvězd). V nitru probíhá, obdobně jako v našem Slunci, slučování vodíku na helium., chrlící kolem sebe zkázu o mnoho řádů vyšší, než to dokáže naše Slunce. Nedávná studie však ukázala, že ani tato kaše se nejí tak horká, jak ji trpaslík vyplivl.
Umělecká představa mohutných eruptivních vzplanutí na červeném trpaslíku.
Zdroj: Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam/, J. Fohlmeister.
|
Červený trpaslík – málo hmotná hvězda hlavní posloupnosti. Má spektrální třídu K, nebo M. Tomu odpovídá povrchová teplota 2 400 až 5 000 kelvinů s maximem vyzařování v červené oblasti (odsud pochází název těchto hvězd). V nitru probíhá, obdobně jako v našem Slunci, slučování vodíku na helium. CME – Coronal Mass Ejection, výron sluneční koronální hmoty (s vmrznutým magnetickým polem) do meziplanetárního prostoru. K výronům CME dochází pravidelně, jejich četnost odpovídá sluneční aktivitě – v minimu dochází k CME přibližně jednou za den, v maximu dochází k CME až třikrát denně. Rychlé výrony CME se mohou dostat až do vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy, takové putující plazmoidy se nazývají ICME (Interplanetary CME). TESS – Transit Exoplanet Survey Satellite, družice zaměřená na výzkum a hledání tranzitujících exoplanet. Startovala 18. 4. 2018 z kosmodromu Cape Canaveral a byla navedena na protáhlou geocentrickou dráhu s perigeem 108 000 km a apogeem 375 000 km. Součástí přístrojového vybavení jsou především čtyři širokoúhlé dalekohledy opatřené CCD detektory. |
Stavba hvězdy
Hvězdy, jako třeba naše Slunce, mají objem rozdělený do tří hlavních částí. V jádru dochází k pomalé přeměně vodíkuVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. na heliumHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi., čímž se uvolňuje energie. Ta putuje k povrchu nejprve ve formě záření. Jednotlivé fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. jsou neustále pohlcovány a opět vyzařovány všemi směry. Proto se tato vrstva jmenuje vrstva v zářivé rovnovázeZářivá vrstva – vrstva ve Slunci, která přiléhá k jádru. Energie se v ní šíří zářením. Její vnější hranice je 200 000 km pod povrchem Slunce. Zářivá vrstva rotuje jako celek, nebyla v ní pozorována diferenciální rotace.. Těmito náhodnými procesy se fotony po statisících letech proderou až k poslední významné vrstvě. K vrstvě, kde se energie přenáší konvekcí.
Tato vrstva se často přirovnává k ohřívané omáčce. Spodní ohřátý materiál stoupá nahoru, na povrchu se ochlazuje a klesá zpět. Materiál je však ve stavu plné ionizace, jsou to volné pohybující se elektricky nabité částice, kolem kterých vzniká magnetické pole. Tento proces známe pod názvem tekutinové dynamoMHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů.. Konvektivní proudy jsou však strhávány rotací Slunce, která navíc není ve všech heliografických šířkách stejná. Podpovrchové proudy plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. tedy ne vždy připomínají dokonalé struktury a podle toho je i magnetické pole na Slunci neuspořádané.
Magnetické siločáry připomínají svazek tenkých gumiček. Tak, jak se mění magnetické pole, natahují a smršťují se i siločáry. A tak, jako se gumičky při přílišném napětí sesmeknou nebo přetrhnou, tak i siločáry v určitou chvíli skokem změní svou konfiguraci. Přitom s sebou strhnou elektricky nabitýElektrický náboj – základní kvantový náboj elektromagnetické interakce. Elektrický náboj označujeme Q, jednotkou je coulomb (C). Nejmenším volným nábojem je náboj elektronu (1,6×10−19 C), jde o tzv. elementární náboj. materiál, který vystřelí z povrchu Slunce a někdy ho může i navždy opustit. Pak mluvíme o výronech koronální hmoty (CMECME – Coronal Mass Ejection, výron sluneční koronální hmoty (s vmrznutým magnetickým polem) do meziplanetárního prostoru. K výronům CME dochází pravidelně, jejich četnost odpovídá sluneční aktivitě – v minimu dochází k CME přibližně jednou za den, v maximu dochází k CME až třikrát denně. Rychlé výrony CME se mohou dostat až do vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy, takové putující plazmoidy se nazývají ICME (Interplanetary CME).).
Řez Sluncem. Zdroj: Planetum.
Není hvězda jako hvězda
Přenos tepla ve hvězdě je prakticky omezený jen na uvedené dva typy. Na záření ve vrstvě v zářivé rovnováze a na proudění v konvektivní vrstvě. Proto je zmíněné schéma závazné pro každou hvězdu. Různé hvězdy mají však různé hmotnosti a z toho plynoucí různé teploty, různé gradienty teplot a nakonec i různé gradienty gravitačního pole. Velikosti a umístění jednotlivých vrstev se tak mohou lišit. Některé hvězdy mohou mít zanedbatelnou vrstvu v zářivé rovnováze, jiné nemají vrstvu konvektivní.
Konvektivní vrstva v našem Slunci zabírá asi 30 % jeho poloměru. U horkých hvězd se energie přenáší především zářením a konvektivní vrstva chybí. Naproti tomu chladné hvězdy mají prakticky pouze konvektivní vrstvu. Jak je zřejmé již z názvu, červení trpaslíci jsou hvězdy chladné, tudíž většinu objemu zabírají masy proudících nabitých částic. Taková hvězda pracuje doslova celým svým tělem na bouřlivém magnetickém poli, které svou energii předává neméně bouřlivým erupcím.
Jak se žije u červeného trpaslíka
Družice TESSTESS – Transit Exoplanet Survey Satellite, družice zaměřená na výzkum a hledání tranzitujících exoplanet. Startovala 18. 4. 2018 z kosmodromu Cape Canaveral a byla navedena na protáhlou geocentrickou dráhu s perigeem 108 000 km a apogeem 375 000 km. Součástí přístrojového vybavení jsou především čtyři širokoúhlé dalekohledy opatřené CCD detektory. určená především k vyhledávání exoplanetExoplaneta – extrasolární planeta, planeta obíhající okolo jiné hvězdy, než je naše Slunce. Jejich existence byla předpovězena dlouhou dobu, první exoplaneta u pulzaru byla detekována v roce 1992, první exoplaneta u hvězdy hlavní posloupnosti byla objevena až v roce 1995 u hvězdy 51 Pegasi. Její objevitelé – Michel Mayor a Didier Queloz – získali v roce 2019 Nobelovu cenu. Do roku 2019 bylo nalezeno přibližně 4 000 exoplanet. Většinou jde o velká tělesa s hmotností a velikostí jen o málo menší, než mají hnědí trpaslíci. přinesla nečekaný bonus. Princip její činnosti spočívá ve sledování změn jasnosti hvězd. Vždy, když planeta přechází přes diskTranzit – přechod nebeského tělesa přes jiné těleso. Příkladem může být situace, kdy z místa pozorovatele přechází (většinou opakovaně) exoplaneta přes mateřskou hvězdu. Klíčovými parametry tranzitu jsou: počátek tranzitu (vstup), střed tranzitu, konec tranzitu (výstup) a hloubka tranzitu neboli pokles magnitudy pozorovaného tělesa způsobený přechodem. hvězdy, dojde k poklesu jasnosti. Dojde-li naopak k náhlému zjasnění, má úkaz jasné vysvětlení – stali jsme se svědky eruptivní událostiCME – Coronal Mass Ejection, výron sluneční koronální hmoty (s vmrznutým magnetickým polem) do meziplanetárního prostoru. K výronům CME dochází pravidelně, jejich četnost odpovídá sluneční aktivitě – v minimu dochází k CME přibližně jednou za den, v maximu dochází k CME až třikrát denně. Rychlé výrony CME se mohou dostat až do vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy, takové putující plazmoidy se nazývají ICME (Interplanetary CME).. Pozorování družice TESS potvrdila, že vzplanutí červených trpaslíků jsou mnohem bouřlivější, než podobné události na Slunci.
Vyhledávání nových planet u vzdálených hvězd je automaticky doprovázeno otázkou, jak je to s možností života v jejich planetárních systémech. Červení trpaslíci jsou hvězdy extrémně šetřící palivem. Během vývoje vesmíru ještě žádný červený trpaslík své palivo nespotřeboval. Jejich životnost se odhaduje až v bilionech let. Zdálo by se tedy, že by měl život v těchto systémech pro svůj vznik dost času. Malý výkon hvězdy však implikuje zároveň malý rozsah obyvatelné zónyObyvatelná zóna – oblast vzdálenosti od mateřské hvězdy, ve které se může nacházet život. Planety se musí nacházet ve správné vzdálenosti od mateřské hvězdy – nesmí být příliš horké ani příliš studené. Tyto podmínky závisí především na velikosti a teplotě hvězdy; rozmezí vhodně klesajících teplot se vzrůstající vzdáleností pak vymezuje obyvatelnou zónu v okolí hvězdy.. Aby se na planetě udržela voda v tekutém stavu, musela by planeta obíhat ve vzdálenosti 0,1÷0,14 auAstronomická jednotka – au (astronomical unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů.. Je již téměř mimo představivost, co by v této vzdálenosti provedla s atmosférou a případným životem erupce o mnoho řádů převyšující energie erupcí slunečních.
Družice TESS je primárně určena k vyhledávání exoplanet. Údaje z jejích
pozorování lze využít i jinak. Zdroj: NASA.
Poslední analýzy naměřených světelných křivek červených trpaslíků těmto pesimistickým vizím ulomila hrot. Eruptivní vzplanutí mají svůj charakteristický průběh. Naběhnou během několika minut a doznívají v řádu dní. To je dostatečně dlouhá doba na to, aby se do intenzity záblesku promítla také rotace hvězdy. Ačkoli je to již na hranici našich možností a schopností (spoluautor práce James Davenport doslova řekl: „na hranici mezi obtížným a nemožným“), jsme schopni zjistit i astrografické šířky, na kterých k erupcím dochází.
Mechanizmus vzniku erupcí v relativně malé konvektivní zóně našeho Slunce zaručuje, že ke vzplanutím dochází ve vzdálenostech maximálně 30° od slunečního rovníku. Je tedy velice pravděpodobné, že i vyvržená hmota bude putovat v rovině oběhu planet. U červených trpaslíků je tomu jinak. Tým astronomů z Leibnizova ústavu pro astrofyziku v Postupimi vyvinul metodu, jak z profilu světelných křivek zjistit vzdálenost erupce od rovníku. Mělo by to být nad 55° astrografické šířky. Pokud je to obecná zákonitost, případné planety by měly být v tomto ohledu v bezpečí.
Tým zpracoval světelné křivky více než 3 000 hvězd, ale pouze u čtyřech byla vzplanutí dostatečně velká, aby je bylo možné zpracovat jejich novou metodou. To je v každém případě málo na definitivní závěry, nicméně autoři práce uvádějí, že kdyby byla vzplanutí na červených trpaslících rovnoměrně rozložena, byla by pravděpodobnost nalezení těchto čtyřech případů pouze 1:1000. Přesto je na skládání záruk za bezpečnost v planetární soustavě červeného trpaslíka ještě brzy. V každém případě teď leží před astrofyziky hozená rukavice v podobě chybějícího modelu vysvětlujícího dynamiku konvektivních zón na různých typech hvězd.
Odkazy
- Ekaterina Llin et al.: Giant white-light flares on fully convective stars occur at high latitudes; MNRAS 507/2 (2021)1723–1745
- UW News staff: Superflares may be less harmful to exoplanets than previously thought, study shows; UW News, 5 Aug 2021
- Impact of Superflares on Planet Habitability around Small Stars May Be Weaker than Thought; Sci News, 9 Aug 2021
- Shannon Hall: Mini-flares might threaten life around red dwarf stars; Sky & Telescope, 12 Jun 2017
- Zdeněk Mikulášek: Fyzika horkých hvězd I; Ústav teoretické fyziky a astrofyziky, 2021
