Dlaczego gwiazdy do nas mrugają?

Zdjęcie: iStock

Obserwowanie nieba zalanego błyszczącymi gwiazdami to chyba jedna z ulubionych czynności w bezchmurne noce.  Przyglądanie się konstelacjom gwiazd o różnym kolorze i jaskrawości  oraz cieszenie się tą kompozycją jest w zasięgu każdego. Jednak, kiedy patrzysz w górę, jest pewien szczegół, którego nie można przeoczyć: gwiazdy nieustannie migają na niebie. Czy zastanawiałeś się kiedyś, z czego wynika to zjawisko? Czy gwiazdy naprawdę rytmicznie emitują światło, czy może to tylko złudzenie optyczne?

Migotanie przez rozproszenie

Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy wziąć pod uwagę dwie rzeczy: skład naszej atmosfery i to dlaczego gwiazdy świecą. Pierwsza jest prosta, ponieważ wiadomo, że warstwa otaczająca naszą planetę to nagromadzone w zawiesinie gazy i cząstki, które mają różne temperatury, stężenia i ciśnienia, w zależności od badanego obszaru. Po drugie, załóżmy, że gwiazda udaje duży reaktor jądrowy w taki sposób, że to termojądrowa fuzja helu w jej wnętrzu powoduje uwolnienie i promieniowanie energii, po części przyjmując formę światła. 

Dlatego więc wydaje się mało prawdopodobne, aby migotanie miało swoje źródło w tej stałej i swoistej dla gwiazdy reakcji. Z kolei wszystko wskazuje na to, że przyczyną migotania może być zmienna i niejednorodna atmosfera. I tak: zjawisko migotania to tak naprawdę złudzenie optyczne powodowane przez samą atmosferę.

Energia i światło generowane w gwieździe, nieustannie docierają do atmosfery ziemskiej.  Gdy cząstki tworzące światło, czyli fotony, wchodzą w warstwę gazów, może dojść do zderzenia z rozproszonymi cząstkami, całkowicie zmieniając kierunek, w którym się poruszają. Ponadto zmiany wysokości ciśnienia i temperatury, w przypadku wnikania głębiej w warstwę ozonową, mogą również wyginać trajektorię fotonów, pozbawiając ją liniowości. Te dwa efekty powodują, że odchylone cząsteczki światła nie docierają całkowicie do oczu obserwujących, powodując krótkie okresy, w których światło zanika. To właśnie daje efekt migoczących gwiazd. 

Słońce i planety też migoczą?

Efekt dyspersji jest bardziej widoczny w przypadku tych ciał niebieskich, które znajdują się w większej odległości. To znaczy, im dalej od ziemi znajduję się dana gwiazda, tym mniej bijącego od niej światła dociera do naszej atmosfery, ponieważ istnieje więcej możliwości, że energia została po drodze utracona w wyżej wspomnianych zjawiskach dyspersji oraz zakrzywienia trajektorii w kontakcie z innymi cząsteczkami kosmicznymi. W przypadku obiektów znajdujących się w bliższej odległości, ilość światła jest znacznie większa i chociaż jego część nadal jest rozpraszana w atmosferze to efekt ten nie jest aż tak znaczący, a w związku z tym migotanie nie jest dostrzegalne. Tak dzieje się na przykład ze Słońcem: gwiazdą najbliższą Ziemi.

Jednak na gwieździstym, nocnym niebie planety są również postrzegane jako małe świecące punkty, które łatwo pomylić z resztą gwiazd. Czy one naprawdę migają? Odpowiedź brzmi: nie. Chodzi o to, że chociaż planety tak naprawdę nie emitują światła, ale raczej odbijają światło pochodzące od Słońca lub innych, dalszych gwiazd, to nadal źródło światła jest na tyle blisko (w przypadku gwiazd w naszym Układzie Słonecznym), że nie da się dostrzec efektu dyspersji gołym okiem co może pozwolić odróżnić migające na niebie gwiazdy od niemigających planet. 

Kolor ma znaczenie

Jakby samo zjawisko migotania nie było wystarczające niezwykłe, dochodzi do tego fakt, że baczny obserwator jest w stanie dostrzec, że gwiazdy mają różne kolory, od bardziej niebieskawych do innych, bardziej żółtych lub nawet czerwonawych. W rzeczywistości rozróżnienie koloru, w jakim gwiazda świeci na niebie, może dostarczyć wielu ciekawych informacji o jej charakterze, a nawet pomóc odróżnić ją od pozostałych.

Kolor, jaki przedstawia gwiazda, będzie zależał od temperatury, w której się znajduje. W ten sposób te, które świecą bardziej niebieskawym odcieniem, będą najgorętsze, sięgając temperatury do 25 000 stopni Kelvina. Z kolei czerwonawy kolor będzie odpowiadał mniej gorącym gwiazdom, których temperatura na powierzchni wynosi około 3000 stopni Kelvina. 
 

Wykres przedstawiający korelację między temperaturą gwiazdy a jej kolorem.
Grafika: Planetario de Montevideo 

Ponadto prawdopodobnie kolor ma również związek z wiekiem gwiazdy. Najmłodszymi zatem gwiazdami będą te, które jawią się na niebie jako bardziej niebieskawe, czyli najgorętsze według poprzedniej klasyfikacji. Dzieje się tak, ponieważ młodsze gwiazdy generalnie mają do spalenia więcej gazu wysokiej jakości, dzięki czemu mogą generować więcej energii i osiągać znacznie wyższe temperatury. Na przykład Słońce ma teraz bardziej żółtawy odcień niż wcześniej, co wskazuje, że najbliższa nam gwiazda znajduję się mniej więcej w połowie swojego życia. Wraz z wiekiem będzie się powiększać oraz ostudzać, zmieniając kolor na bardziej czerwony.

Mogą jednak wystąpić przypadki, w których zależność między wiekiem, a temperaturą nie jest oczywista, jako że często w grę wchodzi również rozmiar obiektu. Wyjaśnienie jest krótkie: większe gwiazdy zużywają swoje paliwo znacznie szybciej niż mniejsze, co za tym idzie większa gwiazda zużywa swoje zasoby szybciej i szybciej czerwienieje, niekoniecznie będąc wiekową. 

Cefeidy: gwiazdy które naprawdę migoczą  

Istnieje typ gwiazdy, który rzeczywiście okresowo migocze: są to cefeidy. Ten typ gwiazd jest w stanie zmieniać swoją temperaturę w wyniku kurczenia się i rozszerzania własnego promienia. W ten sposób skurcz gwiazdy zwiększa temperaturę centralnych obszarów gwiazdy, zwiększając liczbę reakcji jądrowych na powierzchni, a tym samym emitowaną energię i jasność. Po ekspansji gwiazda ochładza się, zmniejszając jednocześnie swoją jasność. To daje efekt migotania.

Proces ten zachodzi cyklicznie w okresach od 1 do 50 dni, więc w przeciwieństwie do efektu migotania spowodowanego dyspersją, nie jest to coś, co można zaobserwować na niebie gołym okiem. Konieczne jest ciągłe obserwowanie obiektu przez określony czas.

Chociaż odkrycie cefeid przypisuje się Johnowi Goodricke'owi w 1784 r., to badania amerykańskiej astronom Henrietty Swan Leavitt rozsławiły te gwiazdy ze względu na ich znaczenie dla nauki. Badaczka odkryła aż 2400 cefeid, co pozwoliło jej ustalić związek między ich jasnością a okresami, w których ulega ona zmianie dowodząc, że im jaśniej, tym dłużej trwa ich pulsacja. Prawo to, znane jako prawo Leavitta, umożliwiło obliczenie odległości, w jakiej różne gwiazdy i galaktyki znajdują się od naszej planety, a także pozwoliło zaobserwować, że odległości te rosną co dowiodło, że mamy do czynienia z stała ekspansją Wszechświata.