Cirka 10 000 ljusår bort, i stjärnbilden Centaurus, finns en planetarisk nebulosa kallad NGC 5307. A planetarisk nebulosa är en rest av en stjärna som vår sol, när den har nått vad som kan beskrivas som slutet på sitt liv. Den här Hubble-bilden av NGC 5307 får dig inte bara att undra över stjärnans förflutna, den får dig att fundera över framtiden för vår egen sol.
Processen att en stjärna åldras och når slutet av sitt liv är en lång, långsam berättelse, präglad av episoder av snabba förändringar. Precis som NGC 5307 gjorde, kommer vår sol så småningom att bli en röd jätte som kastar av sig sina yttre lager av gas. Några miljarder år i framtiden kommer den själv att bli en vit dvärg , lyser upp lagren av gas som den utgjuter som en planetarisk nebulosa.
Just nu står vår sol på huvudsekvens . Det smälter samman väte till helium inuti sin kärna. Som ett resultat av den fusionen frigörs en enorm mängd energi som värmer upp jorden och håller liv igång här. (Det är faktiskt inte själva fusionen som producerar det mesta av värmen; det är proton-protonkedja .)
Men en stjärna är en balansgång mellan det yttre trycket från fusionen och det inre trycket från dess egen gravitation. Den balansen kallas hydrostatisk jämvikt , och det kan inte vara för evigt.
År för år, århundrade för århundrade, eon efter eon, fortsätter solen att smälta samman väte till helium, släpper ut värme och förlorar massa. Även om en stjärna som vår sol kan verka stabil och oföränderlig, är ingenting i naturen oföränderligt. Solen smälter samman cirka 600 miljoner ton väte till helium varje sekund och förlorar massa när den gör det. Den förlorar massa genom att omvandla materia till energi, som förklaras av Einsteins E=mc² .
Det är en betydande summa. Faktum är att solen under sina cirka 4,5 miljarder levnadsår hittills har förlorat en mängd massa som liknar Jupiters massa.
Så småningom kommer balansakten att förändras för alltid, eftersom solen kommer att förlora tillräckligt med massa för att den inre kraften av dess gravitation inte kommer att räcka för att innehålla den yttre kraften av dess sammansmältning. Stjärnan kommer att expandera till en röd jätte .
Astronomer beräknar att när vår sol blir en röd jätte, om cirka 5 miljarder år, kommer den att expandera tillräckligt för att uppsluka Merkurius, Venus och förmodligen jorden. Fram till det kommer solen att bli ungefär dubbelt så lysande som den är nu. Vid den tidpunkten kommer jorden att få ungefär lika mycket energi från solen som Venus gör nu. Ingen bra prognos för livet.
Efter sin röda jättefas kommer solen att bli en underjätte. Den kommer att fördubblas i storlek under loppet av en halv miljard år. Sedan kommer ytterligare en halvmiljardårsfas där den fördubblas i storlek igen, och dessutom blir upp till tvåtusen gånger ljusare. Vid denna tidpunkt är solen nu ett enormt, ljust, hotfullt objekt som har blivit rött och förbrukat de inre planeterna i solsystemet.
När en stjärna blir en röd jätte sväller den till en enorm storlek, trots att den tappat massa. Den förlorade massan betyder att det är mindre gravitation som komprimerar stjärnan, vilket gör att stjärnan kan expandera. Bildkredit: Av Oona Räisänen (Användare:Mysid), Användare:Mrsanitazier. – Vektoriserad i Inkscape av Mysid på en JPEG av Mrsanitazier (en:Image:Sun Red Giant2.jpg), CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2585107
Vid denna tidpunkt kommer solen att vara på den röda jättegrenen. Den kommer att ha en kärna av helium omgiven av ett lager av väte. Efter miljarder år av aktivt liv kommer solen bara att ha cirka 100 miljoner år av aktivt liv kvar. Men det finns mycket aktivitet komprimerad till de 100 miljoner åren.
Först finns det helium blixt , där solen kommer att bränna 40 % av sin massa. Det kommer att göra det genom att omvandla cirka 6% av heliumet i dess kärna till kol. Det tar bara några minuter, en chockerande sammanställning med miljarder år i solens liv.
Solens utveckling. Bildkredit: Av Szczureq – Eget arbete, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=34794215
Efter att ha förlorat all den massan kommer den att krympa till ungefär 10 gånger sin nuvarande storlek och ungefär 50 gånger sin ljusstyrka. Vid den tidpunkten är solen på den horisontella grenen, och den kommer att fortsätta att bränna helium i dess kärna under de kommande hundra miljoner åren och bli lite större och mer lysande.
Men nu börjar solen ta slut på bränsle. Heliumet i dess kärna håller på att utarmas ytterligare och det förlorar mer massa. Ingenting kan stoppa detta från att hända, och solen kommer att expandera igen, som den gjorde när den först gick in i den röda jättefasen. Men denna expansion kommer att gå mycket snabbare.
Saker och ting tar fart för solen och den blir allt mer instabil. Vår en gång oförsonliga sol går in i sina sista stadier. Det är nu i asymptotisk-jätte-gren fas, och kommer att tillbringa cirka 20 miljoner år i den tidiga delen av den fasen. Den har en mestadels inert kärna av syre och kol, ett skal där helium smälter samman till mer kol, och ett annat skal där väte smälter samman till helium. Det är mycket som händer.
Det kommer att krampa i en serie termiska pulser och massförlust. Var och en av dessa pulser varar bara hundra år eller så och i var och en kommer solen att expandera och bli mer lysande. Varje puls kommer att vara starkare än den som föregår den, och denna period varar i cirka 100 000 år. Beräkningar visar att vår sol sannolikt kommer att uppleva fyra av dessa pulser i slutet av sin livstid.
Efter att ha drabbats av dessa pulser kommer solen att lugna sig. Solen, för alla ändamål, är död. Eller åtminstone i koma. Baljväxterna har tappat sina yttre lager, och det är nu en vit dvärg. Denna vita dvärg kommer bara att innehålla cirka 50 % av solens ursprungliga massa.
Planetariska nebulosor finns i en mängd olika former och morfologier. Var och en har en vit dvärg i mitten. Vår sol kommer en dag att likna dessa nebulosor. Från vänster till höger, fjärilsnebulosan, ringnebulosan och NGC 2818. Bildkrediter, från vänster till höger: NASA , DETTA och Hubble SM4 ERO Team; NASA , DETTA , C.R. O'Dell (Vanderbilt University) och D. Thompson (Large Binocular Telescope Observatory); NASA , DETTA , och den Hubbles arv Team ( STScI / KOMMER ATT HA )
Solen är död eftersom det inte finns någon fusion längre. Som en vit dvärg avger den bara lagrad energi. Den består av tätt packad elektrondegenererad materia , och ingen fusion kan ske.
Men den lyser fortfarande, och energin den avger träffar lagren av gas som den avger under sina termiska pulser, joniserar gasen och lyser upp den. Vår sol kommer då att vara en planetarisk nebulosa. Och det för oss tillbaka till NGC 5307.
NGC 5307 är en glimt framåt till slutet av solens liv. Precis som NGC 5307 kommer vår sol en dag, miljarder år från nu, bara att vara en kvarleva av sin forna glans som en livgivande boll av plasma. Trots namnet på den planetariska nebulosan kommer det inte att finnas några planeter i närheten. Det kommer att ha förstört dem under sina expansioner. Det kommer bara att finnas gasen.
Den här veckans bild från NASA/ESA rymdteleskop Hubble visar NGC 5307, en planetarisk nebulosa som ligger cirka 10 000 ljusår från jorden. Den vita dvärgen i mitten lyser upp gasen när den expanderar. Efter cirka 10 000 år kommer gasen att skingras. Bildkredit: NASA/ESA/Hubble
Men även gasen kommer så småningom att vara borta. Det kommer att flytta sig bort från stjärnan och svalna. Efter cirka 10 000 år som planetarisk nebulosa kommer den tidigare solen att bestå som en svag vit dvärg i biljoner år. Efter det kommer solen enligt teorin att bli en svart dvärg . Den kommer att ha svalnat helt och avger ingen energi. Detta är teoretiskt eftersom inga svarta dvärgar har observerats. Faktum är att det tar längre tid för en stjärna att utvecklas till detta hypotetiska svarta dvärgtillstånd än universums ålder hittills.
Den utdrivna gasen från planetariska nebulosan har fortfarande en roll att spela. Under kaoset i solens senare stadier av evolution producerade den grundämnen som var tyngre än väte och helium genom stjärnnukleosyntes . Dessa element kallas metaller i astronomi, kommer att skickas ut i rymden och tas upp i en annan stjärnbildningsprocess. De kommer att berika nästa stjärna som föds, och nästa planeter som kan bildas runt denna framtida stjärna.
Namnet planetarisk nebulosa är en felaktig benämning från tidigare dagar inom astronomi. De är inte släkt med planeter på något sätt. Men några av de första observatörerna av dessa stjärnrester, med de teleskop som var tillgängliga för dem vid den tiden, såg de rundade formerna och antog att de var planeter.
Nu vet vi att det inte är sant. Vi känner nu igen dem för vad de är. Var och en av dessa nebulosor är som en ögonblicksbild som sammanfattar de miljarder år det tog att nå detta tillstånd. Och även om det aldrig kommer att observeras av mänskliga ögon (förmodligen) är detta vår sols slutliga öde.
Notera till läsarna:
Det finns en enorm mängd detaljer i en stjärnas liv och eventuella död. När vi säger något som 'sammansmältning av väte till helium frigör värme' finns det mycket mer i det, och mycket mer än vad som ryms i en artikel.
Om du vill veta mer om stjärnor rekommenderar jag 'The Life and Death of Stars' (2013) av Kenneth R. Lang. Lang är professor i astronomi vid Tufts University, och han gör ett utmärkt jobb med att förklara allt som är fantastiskt.
Mer:
- NASA pressmeddelande: Hubble ser sista skeden av en stjärnas liv
- Universe Today Video: Varför expanderar röda jättar?
- Universum idag: Typer av stjärnor
- Wikipedia: Sol
- Wikipedia: Vit dvärg
- Wikipedia: Planetarisk Nebulosa