Astronomi često govore o asteroidima, planetima, zvijezdama i crnim rupama kao o odvojenim svjetovima fizike. Novi rad dvojice istraživača sa Sveučilišta u Idahu pokušava ih staviti u istu sliku: prema masi i gustoći. Takav prikaz ne briše razlike među njima, ali pokazuje da neke granice u svemiru nisu tako oštre kako ih obično zamišljamo.
Jedan od najpoznatijih dijagrama u astronomiji je Hertzsprung-Russellov dijagram. Već više od stoljeća astronomima pomaže razumjeti zvijezde jer povezuje njihovu temperaturu i sjaj. Na njemu se vidi gdje se zvijezda nalazi tijekom svojeg života, od glavnog niza do kasnijih faza razvoja.
No taj dijagram govori samo o zvijezdama. Svemir je pun tijela koja u njega ne stanu: asteroida, kometa, patuljastih planeta, mjeseca, egzoplaneta, smeđih patuljaka, bijelih patuljaka, neutronskih zvijezda i crnih rupa.
Gabriel Steward i Matthew Hedman sa Sveučilišta u Idahu pokušali su napraviti širu kartu. U radu objavljenom u časopisu Publications of the Astronomical Society of the Pacific prikupili su podatke za više od dvije tisuće objekata i usporedili njihovu masu s prosječnom gustoćom. Taj su prikaz nazvali Cohesive Object Sequence, odnosno niz kohezivnih objekata.
Naziv je važan. Autori ne tvrde da su u graf stavili baš sve što postoji u svemiru. Galaksije i maglice nisu uključene jer nemaju jasno određenu površinu poput planeta ili zvijezde. U obzir ulaze tijela koja imaju mjerljivu masu, polumjer i relativno jasnu granicu, nastalu fizičkim vezama i međudjelovanjem njihove tvari.
Zato se u istom prikazu mogu naći Itokawa, mali asteroid iz Sunčeva sustava, Zemlja, Jupiter, smeđi patuljci, velike zvijezde i kompaktni ostaci zvijezda. Uključene su čak i crne rupe, ali s važnom napomenom: kod njih se kao granica uzima horizont događaja, iako to nije čvrsta površina niti sloj tvari.
Granica na kojoj gravitacija počinje oblikovati svjetove
Na donjem dijelu grafa nalaze se asteroidi i kometi. Kod njih gustoća uglavnom raste s masom jer veća tijela jače pritišće vlastita gravitacija. Mala tijela često su porozna, nepravilna i slabo sabijena, dok masivniji objekti postupno postaju kompaktniji.
Upravo se tu pojavljuje jedna od zanimljivijih granica u cijelom prikazu: prijelaz iz nepravilnog tijela u približno sferan oblik.
Na prvi pogled očekivalo bi se da je taj prijelaz jednostavno pitanje mase. Što je tijelo masivnije, vlastita gravitacija trebala bi ga lakše oblikovati u približno sferan oblik. No graf pokazuje da taj odnos nije tako jednostavan.
Vesta je masivnija od Saturnova mjeseca Mimasa, ali nije pravilna sfera. Mimas je manji, no oblikom je bliži sferi. Razlika je u sastavu. Vesta je stjenovito tijelo, građeno od tvrđeg materijala koji se teže preoblikuje. Mimas je velikim dijelom leden, a vodeni led pod pritiskom lakše mijenja oblik.
Zato masa sama ne određuje izgled svemirskog tijela. Važno je i od čega je građeno. Ista gravitacija drukčije djeluje na stijenu, led i poroznu mješavinu prašine, kamena i smrznutih tvari.
Ovaj dio grafa zato pokazuje nešto važnije od rasta od manjeg prema većem. Pokazuje granicu na kojoj gravitacija počinje nadvladavati unutarnju čvrstoću materijala i pretvarati nepravilno tijelo u svijet s pravilnijim, gotovo sfernim oblikom.
Planeti ne čine jednu urednu obitelj
Kad se graf pomakne prema planetarnim masama, jednostavna slika nestaje. Stjenoviti planeti poput Zemlje ponašaju se očekivano: veća masa uglavnom znači veću gustoću jer gravitacija snažnije sabija unutrašnjost.
No kod planeta bogatih hlapljivim tvarima trend se okreće. U tu skupinu spadaju svjetovi nalik Uranu i Neptunu, s velikim udjelom vode, amonijaka, metana i vodika. Kako takvi planeti postaju masivniji, njihova prosječna gustoća ne mora rasti. Može i padati.
Zatim dolaze plinoviti divovi. U području oko stotinu Zemljinih masa odnos se ponovno mijenja. Jupiter i slični divovi nisu naprosto “veće Zemlje”. Oni pripadaju drukčijem režimu, u kojem se golema količina plina i unutarnji tlak ponašaju po vlastitim pravilima.
Upravo se tu vidi zašto je ovakav graf koristan. U školskim podjelama planeti se često razvrstavaju u poznate ladice: stjenoviti planeti, ledeni divovi, plinoviti divovi. Na grafu mase i gustoće vidi se da te ladice imaju fizičku podlogu, ali i da prijelazi među njima nisu uvijek uredni.
Još je zanimljivija granica između najvećih plinovitih divova i smeđih patuljaka. Smeđi patuljci nisu prave zvijezde, ali mogu barem neko vrijeme spajati deuterij u unutrašnjosti. Astronomi ih zato obično svrstavaju u posebnu kategoriju. Na ovom grafu, međutim, izgledaju kao nastavak istog niza koji počinje kod masivnih plinovitih planeta.
Drugim riječima, priroda ne mora poštovati naše nazive. Kategorije su korisne, ali graf pokazuje gdje se njihovi rubovi počinju mutiti.
Zvijezde ulaze u niz, ali njihovi ostaci iz njega iskaču
Kako masa raste, niz dolazi do područja u kojem se pali fuzija vodika. To je granica pravih zvijezda. Objekt više nije samo sabijena kugla plina. U njegovoj unutrašnjosti počinje proces koji može trajati milijunima ili milijardama godina.
Na tom dijelu grafa pojavljuje se i takozvani Kraftov prijelaz, važna granica u fizici zvijezda. Ona se povezuje s promjenama u unutarnjoj građi zvijezda i načinu na koji prenose energiju i gube kutni moment. U novijim radovima taj se prijelaz veže uz zvijezde približno srednjeg F tipa, odnosno mase oko 1,3 do 1,4 Sunčeve mase.
No najdramatičniji objekti nisu oni koji uredno slijede niz. To su oni koji iz njega iskaču.
Bijeli patuljci imaju masu usporedivu sa zvijezdama, ali su sabijeni u tijela veličine planeta. Zato im je gustoća golema. Neutronske zvijezde idu još dalje: masa zvijezde sabijena je u prostor veličine grada. One zato završavaju u posve ekstremnom dijelu grafa.
Crne rupe otvaraju još neobičnije pitanje. Imaju najveće mase u uzorku, ali na ovakvom grafu ne moraju biti najgušći objekti. Razlog je način računanja. Ako se prosječna gustoća računa prema horizontu događaja, veće crne rupe mogu imati manju prosječnu gustoću od manjih crnih rupa. Horizont događaja nije površina od tvari, nego granica iza koje svjetlost više ne može pobjeći.
Zato crne rupe u ovom prikazu treba čitati oprezno. One se mogu staviti na graf jer imaju jasno određen Schwarzschildov polumjer, ali njihova “gustoća” nije ista vrsta podatka kao gustoća asteroida, planeta ili zvijezde.
Najzanimljivija su i prazna mjesta
Ovaj graf nije konačna karta svemira. Autori otvoreno navode ograničenja. Za mala tijela podaci uglavnom dolaze iz našeg Sunčeva sustava. Razumno je pretpostaviti da i drugi planetarni sustavi imaju asteroide, komete i slične objekte, ali za sada ih ne možemo mjeriti s istom preciznošću.
Ipak, vrijednost grafa nije samo u točkama koje su na njemu ucrtane. Važna su i mjesta na kojima točaka nema.
Ako u određenom području mase i gustoće ne nalazimo objekte, to može značiti dvije stvari. Možda ih još nismo otkrili. Ali možda ih priroda teško stvara ili ih ne može dugo održati. Takva prazna područja mogu biti tragovi stvarnih fizičkih granica: kako nastaju planeti, koliko se tvar može sabiti prije nego što prijeđe u drugi režim, gdje završava planetarna fizika, a počinje zvjezdana.
Zato je ovaj rad zanimljiviji od same ideje “jednog velikog grafa”. On ne nudi novu teoriju svega, nego drukčiji način gledanja. Umjesto da asteroide, planete, zvijezde i crne rupe promatramo kao nepovezane razrede iz astronomskog kataloga, graf ih stavlja na zajedničku fizičku kartu.
Na toj karti Zemlja nije središte priče, Jupiter nije samo veći planet, smeđi patuljak nije potpuno odvojena kategorija, a bijeli patuljci i neutronske zvijezde izgledaju kao ono što doista jesu: ekstremni ostaci zvjezdane fizike.
Najbolji dio tog prikaza možda je upravo to što ne pojednostavljuje svemir previše. Pokazuje red, ali i iznimke. Pokazuje niz, ali i prekide. I podsjeća da se mnoge granice u astronomiji ne nalaze ondje gdje ih jezik postavlja, nego ondje gdje ih fizika dopušta.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
Izvori i publikacija
The Cohesive Object Sequence: The Mass–Density Distribution of Astronomical Objects from Asteroids to Stars
Časopis / izvor: Publications of the Astronomical Society of the Pacific
