Maailmankaikkeus

Tähdet – miten tähti syntyy ja kuolee

Tähti on kaasupallo, jonka ytimessä vety muuttuu heliumiksi. Miten tähti syntyy, mitä päävaihe tarkoittaa, miten tähti kuolee ja mikä tähti on lähinnä Maata.

Tähti on kaasupallo, jonka ytimessä vety yhtyy heliumiksi ja vapauttaa energiaa, joka näkyy valona. Tähti syntyy kylmässä kaasu- ja pölypilvessä, elää suurimman osan elämästään päävaiheessa ja kuolee sen mukaan, kuinka suuri massa sillä on: kevyt tähti muuttuu valkoiseksi kääpiöksi, raskas räjähtää supernovana. Aurinko on tähti, ja NASAn mukaan se on noin puolivälissä elämäänsä.

Mikä tähti on?

Tähden ytimessä vedyn ydinfuusio tuottaa energiaa, joka näkyy tähden valona ja lämpönä. NASAn mukaan fuusio tukee tähteä myös painovoimaa vastaan. Tähtiä on valtavasti: pelkästään Linnunradassa on NASAn mukaan yli 100 miljardia tähteä, ja koko maailmankaikkeudessa niitä voi olla jopa septiljoona eli yksi ja 24 nollaa.

Aurinko on NASAn mukaan keltainen kääpiö, päävaiheen tähti, jonka tyyppi on G2 V. Se on noin 4,6 miljardia vuotta vanha, sen pintalämpötila on noin 5 500 celsiusastetta ja ytimen lämpötila noin 15 miljoonaa astetta. Auringon läpimitta on noin 1,4 miljoonaa kilometriä, ja sen osuus aurinkokunnan massasta on noin 99,8 prosenttia. Tarkempi esittely on sivulla Aurinko.

Mistä tähti syntyy?

Tähti syntyy kylmästä molekyylipilvestä, joka on kaasun ja pölyn muodostama jättiläismäinen pilvi. NASAn mukaan tällaisten pilvien massa on 1 000–10 miljoonaa Aurinkoa ja ne voivat ulottua satojen valovuosien yli. Pilven tiheät kokkareet romahtavat painovoiman vaikutuksesta ja kuumenevat, ja syntyy esitähti.

Esitähden energia tulee aluksi lähinnä romahtamisesta. Muutaman miljoonan vuoden kuluttua ytimessä alkaa vedyn fuusio heliumiksi, joka NASAn mukaan tukee tähteä painovoimaa vastaan. Silloin tähti on saavuttanut päävaiheen.

Tähden elinkaari massan mukaan

Tähden massa ratkaisee, kuinka pitkään se elää ja miten se kuolee. Alla olevassa taulukossa on NASAn kuvaus kahdesta pääpolusta.

Vaihe	Pienimassainen tähti (esimerkiksi Aurinko)	Suurimassainen tähti
Syntyminen	molekyylipilven kokkare romahtaa esitähdeksi	sama
Päävaihe	vety fuusioituu heliumiksi miljardeja vuosia	kuluttaa polttoaineensa nopeasti, kestää vain muutaman miljoonan vuoden
Ytimen vedyn loppuminen	tähti laajenee punaiseksi jättiläiseksi	fuusio rakentaa raskaampia alkuaineita rautaan asti
Loppu	ulkokerrokset puhaltuvat planetaariseksi sumuksi	rautaydin romahtaa ja kimpoaa: supernova
Jäännös	valkoinen kääpiö, joka jäähtyy miljardeja vuosia	neutronitähti tai musta aukko

Pienimassaiset tähdet polttavat polttoainettaan hitaasti ja elävät pitkään. NASAn mukaan jotkin pienimassaiset tähdet voivat loistaa biljoonia vuosia, kun massiiviset tähdet kestävät vain muutaman miljoonan vuoden. Aurinko on noin puolivälissä päävaihettaan: se pysyy NASAn mukaan päävaiheen tähtenä vielä noin viisi miljardia vuotta, ja sitten siitä tulee punainen jättiläinen ja lopulta valkoinen kääpiö.

Mikä on päävaihe ja Hertzsprung–Russell-kuvaaja?

Päävaihe on tähden elämän pisin vaihe, jossa ydin muuttaa vetyä heliumiksi. NASAn mukaan päävaiheen tähtiä on noin 90 prosenttia maailmankaikkeuden tähdistä. Tähtitieteilijät havainnollistavat tähtien vaiheita Hertzsprung–Russell-kuvaajalla, jossa tähdet sijoitetaan värin ja kirkkauden mukaan.

ESAn Gaia-luotaimen kuvan mukaan vaaka-akselilla on väri: sinisemmät ja kuumemmat tähdet ovat vasemmalla ja punaisemmat, viileämmät oikealla. Pystyakselilla on kirkkaus, ja kirkkaammat tähdet ovat ylhäällä. Vinossa kaistassa kuvan poikki ovat päävaiheen tähdet, jotka fuusioivat vetyä heliumiksi. Kun tähti vanhenee, se laajenee ja kirkastuu ja siirtyy kuvaajassa ylös ja oikealle punaisten jättiläisten haaraan. Valkoiset kääpiöt, kuolleiden tähtien kuumat jäännökset, ovat kuvaajan vasemmassa alakulmassa. ESAn mukaan Gaian aineistosta näkyy yli 25 000 valkoista kääpiötä, kun aiemmin niitä oli vain kourallinen.

Miten tähti kuolee?

Tähden loppu riippuu massasta. Pienimassaisessa tähdessä ytimen vety loppuu, tähti laajenee punaiseksi jättiläiseksi ja sen ulkokerrokset puhaltuvat NASAn mukaan planetaarisena sumuna avaruuteen. Jäljelle jää valkoinen kääpiö, joka jäähtyy miljardeja vuosia. Aurinko seuraa tätä polkua useiden miljardien vuosien kuluttua.

Suurimassaisessa tähdessä fuusio rakentaa raskaampia alkuaineita rautaan asti ja polttoaine loppuu NASAn mukaan muutamassa päivässä. Rautaydin romahtaa ja kimpoaa takaisin, ja seurauksena on supernova. Jäännös on neutronitähti tai musta aukko. NASAn mukaan neutronitähdeksi päätyy noin 8–20 Auringon massainen päävaiheen tähti, ja neutronitähti pakkaa Aurinkoa enemmän massaa palloon, joka on Manhattanin saaren pituinen. Pulsarit pyörivät nopeasti, ja magnetaarien magneettikentät ovat tavallista neutronitähteä paljon voimakkaampia.

Tähtityypit

Tähdet eroavat toisistaan massan, lämpötilan ja iän mukaan. NASAn tyyppiluokittelussa punaiset kääpiöt ovat pienimpiä ja viileimpiä päävaiheen tähtiä, ja ne näyttävät oransseilta. Niiden elinikä voi olla jopa noin 14 biljoonaa vuotta, joka on enemmän kuin maailmankaikkeuden nykyinen ikä, ja niitä on noin 75 prosenttia Linnunradan tähdistä. Ruskeat kääpiöt ovat NASAn mukaan 13–80 kertaa Jupiterin massaisia, mutta ne eivät ole teknisesti tähtiä. Ne säteilevät lähes vain infrapunaa, eikä niistä tule juuri lainkaan näkyvää valoa.

Neutronitähdistä erityisiä ovat pulsarit ja magnetaarit. Pulsari on nopeasti pyörivä neutronitähti, jonka pinnan kirkkaat röntgenläikät pyyhkäisevät näkyviin ja pois kuin majakan valo, ja jotkin pulsarit pyörivät NASAn mukaan nopeammin kuin tehosekoittimen terät. Magnetaarin magneettikenttä voi olla jopa tuhat kertaa tavallisen neutronitähden kenttää voimakkaampi. Pulsarit ovat liian himmeitä paljaalle silmälle ja harrastajan kaukoputkelle, joten tutkijat havaitsevat niitä yleensä röntgen- ja radioalueella. Paljain silmin näkyviä punaisia jättiläisiä ovat NASAn mukaan esimerkiksi Arcturus.

Tähden väri kertoo lämpötilasta: ESAn kuvaajassa sinisemmät tähdet ovat kuumempia ja punaisemmat viileämpiä. Taivaan kirkkaimmat tähdet ja niiden värit löytyvät sivulta kirkkaimmat tähdet, ja tähtikuvioiden ero tähtiin selviää sivulta tähtikuviot.

Mistä tähtien valo on peräisin ja mitä Auringolle tapahtuu?

Tähtien valo on peräisin ytimen ydinreaktioista. NASAn mukaan Auringon ytimessä vety yhtyy heliumiksi, ja nämä reaktiot tuottavat Auringon lämmön ja valon. Fuusion aiheuttama ulospäin suuntautuva paine pitää Auringon koossa painovoimaa vastaan. Ydin on noin 138 000 kilometriä paksu ja sen lämpötila on yli 15 miljoonaa celsiusastetta. Energia kulkee ytimestä ulos säteilynä, ja matka ytimestä konvektiovyöhykkeen yläreunaan kestää NASAn mukaan noin 170 000 vuotta.

Auringon tulevaisuus noudattaa pienimassaisen tähden polkua. Kun ydin ei enää tuota energiaa, Aurinko laajenee NASAn mukaan punaiseksi jättiläiseksi ja nielaisee Merkuriuksen ja Venuksen, mahdollisesti myös Maan. Punaisen jättiläisen vaiheen aloittaa tähti, jonka massa on alle kahdeksankertainen Aurinkoon verrattuna, ja väri näyttää NASAn mukaan oranssimmalta kuin punaiselta. Esimerkkeinä NASA mainitsee Betelgeusen ja Antaresin. Valkoiseksi kääpiöksi Aurinko muuttuu NASAn arvion mukaan noin 10 miljardin vuoden kuluttua. Valkoinen kääpiö on yleensä Maan kokoinen mutta satoja tuhansia kertoja massiivisempi, ja teelusikallinen sen ainetta painaisi enemmän kuin avolava-auto.

Mikä tähti on lähinnä Maata?

Maata lähin tähti on Aurinko, noin 150 miljoonan kilometrin päässä. NASAn mukaan Auringon jälkeen lähin tähti on Proxima Centauri, noin 4,2 valovuoden päässä Kentauruksen tähdistössä. Proxima kuuluu Alfa Centaurin kolmen tähden järjestelmään, ja se on noin 0,2 valovuoden päässä kaksoistähdestä Alfa Centauri A ja B. Proxima ei näy paljain silmin.

ESOn tutkijat löysivät Proxima Centaurin asumiskelpoiselta vyöhykkeeltä Maan massaisen planeetan. Valovuoden pituudesta ja muista tähtien etäisyyksistä kerrotaan sivulla valovuosi.