Rozhovor: Richard Wünsch - Prémie za vznik hvězd

Jak vznikají ve vesmíru hvězdy?
Stručně řečeno, vznikají z molekulárních oblaků procesem, kterému se říká gravoturbulentní fragmentace a kolaps. Hned vysvětlím co to je. Prostor mezi hvězdami v galaxiích není úplně prázdný, ale je vyplněn velmi řídkým plynem. Ten má několik složek, které se liší hustotou a teplotou. A ta nejhustší a nejchladnější složka - to jsou právě molekulární oblaky. Když říkám nejhustší, je to velmi relativní, protože jsou pořád mnohem řidší než to nejprázdnější a nejřidší vakuum, které dokážeme na Zemi připravit v laboratoři. Ale díky tomu, že jsou molekulární oblaky obrovské, je v nich docela hodně hmoty. Ty největší z nich mají hmotnosti stovek tisíců až miliónů hmotností Slunce.

Můžeme ty molekulární oblaky nějak pozorovat?
Ano, a dokonce velmi snadno. Na některé z nich se můžeme všichni podívat na noční obloze i bez dalekohledu. Molekulární oblaky totiž obsahují určité procento prachu, a ten zastiňuje světlo hvězd za nimi. Když se tedy podíváme na Mléčnou dráhu, což je spojené světlo mnoha hvězd disku naší galaxie, uvidíme, že Mléčná dráha je na některých místech černá, zastíněná, jakoby rozdvojená. A za to právě mohou ty molekulární oblaky, které jsou soustředěny podél roviny naší galaxie.

Když se na oblaky podíváme podrobněji pomocí dalekohledu, tak uvidíme, že plyn v nich není klidný, ale je v neustálém chaotickém pohybu - turbulenci. Abychom si to představili, vypadají docela podobně jako mraky v atmosféře Země. Ty jsou také turbulentní, i když rychlosti turbulence jsou v tomto případě mnohem menší než u mezihvězdných oblaků. Na molekulární oblaky působí samozřejmě také jejich vlastní gravitace, což je, jak všichni víme, univerzální přitažlivá síla. A když se zkombinuje turbulence a gravitace, vede to k tomu, že ta nejhustší místa, která vzniknou díky turbulenci, se oddělí, gravitačně zkolabují a stanou se z nich hvězdy.

Toto je takový hrubý, povrchní pohled na tvorbu hvězd. Když se ale začneme ptát na detaily tohoto procesu, např. v jakých počtech vznikají hvězdy různých hmotnosti a proč, tak zjistíme, že mnoha věcem zatím ještě příliš nerozumíme.

Obr. 1. Ve srážejících se galaxiích Antény vznikají tisíce superhvězdokup viditelných jako jasné modré body obklopené červenou září. Credit: NASA, ESA.

Proč je porozumění tvorbě hvězd tak složité?
Je to hlavně ze tří důvodů. Tím prvním je, že složitá je samotná dynamika plynu. Plyn je, jak víme, tekutina, nemá tedy žádný pevný tvar, a tím pádem se může pohybovat prakticky nekonečným množstvím způsobů. Kvůli tomu je popis pohybu tekutin tak složitý. Platí to i mimo astronomii, téměř všichni asi máme osobní zkušenost s tím, jak těžké je předpovědět počasí, což je také snaha popsat a předpovědět pohyb plynu.

Dalším důvodem je, že při tvorbě hvězd vznikají obrovské rozdíly mezi různými částmi popisovaného systému. Např. hustota se při vzniku hvězdy zvýší asi o 20 řádů (tedy jako bychom tu původní hustotu mezihvězdného plynu vynásobili 10 miliardami a výsledek pak ještě jednou 10 miliardami). Podobně je to s rozdíly ve velikosti struktur: např. když se vrátíme k té turbulenci, tak ta se skládá z vířivých pohybů. Je to vlastně taková soustava vírů, ve kterých se přenáší energie od těch velkých k těm menším. Tomuto se říká turbulentní kaskáda. A poměr mezi velikostí toho největšího a nejmenšího víru, kterému se říká Reynoldsovo číslo, nám říká, jak je ta turbulence složitá. U mezihvězdné turbulence je tento poměr také asi 10 miliard, mnohem větší než u čehokoli, co známe ze Země.

Tím třetím důvodem je to, že je třeba vzít v úvahu složité fyzikální procesy, se kterými máme malé zkušenosti, protože podmínky za kterých probíhají, se v laboratoři nedají napodobit. Kromě gravitace je to např. magnetické pole, které je sice v mezihvězdném plynu velmi slabé, ale díky obrovským vzdálenostem významně ovlivňuje pohyb plynu. Dále je to infračervené záření, které přenáší teplo od jedné oblasti na druhou; a v neposlední řadě to jsou chemické reakce, které v mezihvězdném plynu probíhají. Díky těmto reakcím vznikají v plynu z jednotlivých atomů molekuly, a proto těm oblakům říkáme molekulární. Molekuly mohou vznikat mnoha různými způsoby. Např. jedna z nejdůležitějších molekul je CO (oxid uhelnatý), a abychom popsali správně, jak vzniká, potřebujeme vzít v úvahu několik set chemických reakci.

Co znamená indukovaná tvorba hvězd, která je předmětem vašeho výzkumu?
Nazýváme tak mechanismy, kdy tvorba hvězd nezačne probíhat samovolně, ale je něčím nastartována, mohli bychom říci spuštěna nebo také indukovaná. Tím nejpřirozenějším způsobem jak nastartovat tvorbu hvězd jsou procesy, které nějakým způsobem odstartují již existující hvězdy. Do tvorby hvězd se tak dostává pozitivní zpětná vazba - hvězdy mohou způsobovat vznik dalších hvězd. Tvorba hvězd je tak v určitém smyslu infekční - jakmile někde v molekulárním oblaku začne, rozšíří se na celý oblak a trvá, dokud nedojde plyn. To se většinou stane během zhruba 1 miliónu let. Většina toho plynu je vznikajícími hvězdami ohřáta a rozptýlena do dalekého okolí, jen malé procento hmoty oblaku se přemění na hvězdy.

Obr. 2. Schematické zobrazení superhvězdokupy, ve které probíhají oba způsoby indukované tvorby hvězd. Uvnitř hvězdokupy se z hvězdných větrů tvoří husté chladné oblaky, které jsou stlačeny okolním horkým plynem a kolabují do hvězd. Okolo hvězdokupy vzniká bublina horkého plynu, která shrne mezihvězdný plyn do husté chladné obálky na jejím povrchu. Tato obálka fragmentuje díky vlastní gravitaci a rozpadá se na oblaky, ze kterých opět vznikají další generace hvězd.

Jak konkrétně ty mechanismy indukované tvorby hvězd vypadají?
Když to zjednodušíme, tak ty nejdůležitější jsou dva. Podstatou obou z nich je to, že hvězdy (především ty hmotné) vkládají do svého okolí velké množství hmoty a energie. Je to především díky tzv. hvězdnému větru - proudu částic, který uniká z atmosféry hvězdy, protože je tlačen zářením. Tento vítr dosahuje rychlosti několika tisíců km/s a velká hvězda díky němu může ztratit za celý život 20-30 % svojí hmotnosti. Velké hvězdy také na konci života vybuchují jako supernovy, což je další zdroj energie a hmoty pro mezihvězdné prostředí.

Samotná hvězda nebo jejich skupina tak může vytvořit v mezihvězdné hmotě jakousi bublinu horkého plynu, která shrne na svůj povrch okolní plyn a stlačí ho. Tím vznikne na povrchu bubliny hustá obálka, která rychle vychladne díky záření, a díky gravitaci se rozpadne na fragmenty, ze kterých vzniknou další hvězdy.

Jaký je ten druhý mechanismus indukované tvorby hvězd?
Teprve nedávno jsme zjistili, že hvězdy mohou vznikat ze samotného hvězdného větru. Může se to stávat v tzv. superhvězdokupách - skupinách, které obsahují až několik miliónů hvězd, které jsou namačkány do oblasti, ve kterých za běžných podmínek v galaxiích (např. ve Slunečním okolí) nalezneme jen jednu nebo několik hvězd. V superhvězdokupách se hvězdné větry jednotlivých hvězd srážejí. Tím se hvězdné větry zastaví, a jejich pohybová energie se přemění na teplo. Plyn se tak zahřeje na přibližně 10 milionů stupňů. Pokud je ale tento velmi horký plyn dostatečně hustý, rychle ztratí svoji tepelnou energii tím, že ji vyzáří jako rentgenové světlo. Tím se určitá oblast uvnitř superhvězdokupy ochladí, okolní horký plyn ji stlačí do hustého oblaku a z něj pak vzniknou další hvězdy. Ty jsou zajímavé tím, že mají úplně jiné chemické složení, než původní hvězdy superhvězdokupy, protože vznikly z hvězdných větrů. Ten obsahuje produkty jaderných reakcí, které ve hvězdách probíhají - mohli bychom říct jaderný odpad. A protože jsou v hvězdokupách skutečně pozorovány podmnožiny hvězd s jiným chemickým složením, dává nám to docela dobrou naději, že tento mechanismus v přírodě opravdu funguje.

Takže se dá říci, že hvězdy mohou mít své potomky?
Zdá se, že v některých případech tomu tak opravdu je. V současnosti ale nevíme, jaká část tvorby hvězd probíhá indukovaně, a jaká část samovolně - tedy bez toho, aby ji nějaké jiné hvězdy spustily. Navíc plyn, který hvězdy během svého života a hlavně na jeho konci ztratí, se rozptýlí v mezihvězdném prostoru. Časem se ochladí, a vzniknou z něj molekulární oblaky. Z těch pak, jak už víme, vznikají další hvězdy, takže v galaxiích existuje koloběh hmoty mezi hvězdami a mezihvězdným plynem. Tento koloběh je pro nás velmi důležitý, protože hvězdy jsou jaderné reaktory, které vytvářejí z lehčích prvků těžší. Díky tomuto cyklu tedy hmota, ze které vznikla naše Sluneční soustava, obsahovala prvky těžší než vodík a hélium - mohli bychom říci jaderný odpad předchozích generací hvězd. A z těchto prvků pak vznikly všechny planety, včetně naší Země a vlastně i my, lidé.

Na otázky odpovídal Mgr. Richard Wünsch, PhD., vědecký pracovník Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR.