Białe karły: charakterystyczne, zdjęcie

We wszechświecie materia często występuje w stanach dość ekstremalnych dla naszej planety. Nie ma wysokich temperatur i ciśnień, silnych pól grawitacyjnych i magnetycznych, intensywnego promieniowania twardego, dzięki czemu w rzeczywistości może powstać i rozwinąć się złożona biosfera. Jednak skraj przedmiotu jest wielką konwencją, ponieważ dla Wszechświata takie stany materii są dość powszechne. Ludzkość najpierw dowiedziała się o nich poprzez odkrycie specjalnej klasy gwiazd - białych karłów.

Odkrycie dziwnych obiektów

Historia badań niezwykłych gwiazd rozpoczęła się na początku XX wieku, gdy astronomowie połączyli wyniki obserwacji kilku blisko rozmieszczonych układów wielogwiezdnych - 40 Eridani, Sirius i Procyon. Okazało się, że w każdym z tych systemów jeden z komponentów charakteryzuje się dziwną kombinacją właściwości. Ich parametry orbitalne wskazywały na dość dużą masę, porównywalną z masą zwykłej gwiazdy; charakterystyka spektralna wskazuje na wysoką temperaturę. Jasność tych obiektów okazała się bardzo niska - były słabe, ciemne gwiazdki.

W 1917 r. Odkryto pierwszy pojedynczy obiekt o podobnych właściwościach - gwiazdę Van Maanena, znajdującą się w odległości 14 lat świetlnych od Słońca. Jego masa wynosi 0,7 masy Słońca, a jednocześnie nasze Słońce promieniuje ponad pięć tysięcy razy mocniej niż gwiazda Van Maanen, nazwana na cześć swojego odkrywcy - holenderskiego astronoma, który pracował w Stanach Zjednoczonych.

W 1922 r. Inny holenderski Amerykanin, V. Ya Leyten, który odkrył kilka takich obiektów, zaproponował nazwę dla tej klasy gwiazd, którą wciąż używamy dzisiaj: "biały karzeł". Tutaj termin "biały" oznacza "gorący" i jest związany z cechami spektralnymi.

Niewiele o ewolucji gwiazd

Kluczowym parametrem wszystkich gwiazd jest masa. Ustawia intensywność wszystkich procesów występujących w gwiazdach, ponieważ ciśnienie, gęstość i odpowiednio temperatura substancji w jej głębokości zależy od masy gwiazdy. Im wyższe wartości tych wielkości, tym większe prawdopodobieństwo każdego aktu fuzja termojądrowa, oznacza to, że postępuje z większą intensywnością. Stabilność gwiazdy jest utrzymywana przez równowagę między siłą jej grawitacyjnego ściskania i siłą nacisku wypychającą ją z powodu uwolnienia energii podczas reakcji jądrowych.

Masa określa również czas trwania stabilnej egzystencji gwiazdy, aż wodór zostanie wyczerpany jako paliwo termojądrowe (etap "główna sekwencja") i jego dalszy los. Pod koniec tego okresu życia gwiazdy, w zależności od ich masy, doświadczają pewnych zmian, których rezultatem jest ich przekształcenie w obiekty jednego z trzech typów: białe karły, gwiazdy neutronowe lub czarne dziury. Będziemy zainteresowani pierwszą opcją.

Czerwone gigantyczne serce

Jeżeli masa gwiazdy nie przekracza określonego progu (1.44 Masy Słońca), jej przeznaczeniem jest zostać krasnoludem. Jak to się dzieje? Po wyczerpaniu wodoru powstaje gęsty rdzeń helu w środku gwiazdy - w istocie żużel nagromadzony podczas jego trwania.

Energia nie jest już odwracana od środka, co oznacza, że ​​temperatura i gęstość wzrastają, ponieważ gwiazda jest ściskana przez własną grawitację. W pewnym momencie osiągają taką wartość, przy której hel już jest w stanie wejść w reakcję syntezy, tworząc węgiel. W tym czasie procesy zachodzą w powłoce gwiazdy, prowadząc do jej pęcznienia i chłodzenia zewnętrznych obszarów. Gwiazda staje się czerwonym olbrzymem.

Rdzeń czerwonego olbrzyma ma właściwości izotermiczne, chłodzone głównie przez emisję promieniowania z powierzchni, ale w wyniku energii neutrin, przez cząstki, dla których jądro jest przezroczyste.

Czerwony olbrzym to niestabilna gwiazda. W końcu traci swoje zewnętrzne warstwy - tworzy to tak spektakularne kosmiczne zjawiska jak mgławice planetarne. Występuje tylko gorący rdzeń helowo-węglowy o wyższej lub niższej zawartości węgla i w bardzo niskim stężeniu cięższe pierwiastki (tlen). Ten rdzeń to biały karzeł.

Znieczulenie gazowe

Masa tego rdzenia jest porównywalna do masy Słońca, ale jego rozmiar jest o dwa rzędy wielkości mniejszy od naszej gwiazdy. Stąd wniosek: gęstość białych karłów jest ogromna. Może wynosić od setek kilogramów do tysięcy ton na centymetr sześcienny. Co to jest substancja w takim stanie: ciało stałe, a może ciecz? Nie, ciała stałe i ciecze nie mogą istnieć przy takich gęstościach, znacznie przekraczając najbardziej kompaktowe upakowanie atomów w substancji. Jest to szczególny stan rzeczy.

Ze względu na gigantyczne ciśnienia, powłoki elektronowe atomów w tym gazie są niszczone. Substancja jest potwornie skompresowaną plazmą, której zachowanie można opisać tylko za pomocą mechaniki kwantowej. Elektrony nie mogą mieć takich samych stanów kwantowych ("zakaz Pauli"), na mocy których ich prędkości przybierają różne wartości. W zwykłym gazie temperatura zależy od prędkości cząstek. W tym przypadku, niezależnie od temperatury materii, prędkości elektronów nie są z nią w żaden sposób połączone i mogą osiągnąć wartości relatywistyczne. Taki gaz elektronowy nazywany jest degeneratem.

Limit Chandrasekhara

Ciśnienie zdegenerowanego gazu określa jego gęstość. Podobnie jak przeciwdziałająca siła ściskania grawitacyjnego, ma bezpośrednią zależność (ale w różnym stopniu) od masy białych karłów i od przeciwnego - od ich promienia. Oznacza to, że istnieją takie wartości masowe, przy których ciśnienie równoważy grawitację, co zapewni stabilne istnienie karła. Jeśli wartość krytyczna 1,44 mas Słońca zostanie przekroczona, krasnolud nie będzie karłem: ciśnienie nie zatrzyma kompresji, promień będzie się zmniejszał i powstanie gwiazda neutronowa.

Ta krytyczna masa nosi nazwę limitu Chandrasekhara na cześć indyjskiego fizyka, który udowodnił jej istnienie w 1931 roku. Im większa masa karła, tym mniejszy promień. Siła grawitacji na takich gwiazdach jest dziesięć razy większa od siły powierzchni Słońca. Jednak Słońce jest nadal na czele w tym sensie: ma się stać jak krasnolud za kilka miliardów lat.

O temperaturze, wielkości i jaskrawości

Temperatura powierzchni białych karłów może sięgać kilkudziesięciu lub nawet stu tysięcy stopni (Słońce ma około 5800 K), a wymiary są porównywalne do wielkości Ziemi, to znaczy obszar powierzchni promieniującej jest niezwykle mały. Teraz jest jasne, dlaczego mają tak niską jasność - są po prostu małe.

Nie mają własnych źródeł energii termojądrowej, a ich jasność wynika z ogromnej ilości ciepła wewnętrznego, w zależności nie od masy ciała, ale od wieku. Karzeł może chłodzić przez bardzo długi czas - dziesiątki, a nawet setki miliardów lat właśnie dlatego, że emituje promieniowanie przez niewielką powierzchnię. Młode gorące karły chłodzą się szybciej. Maksymalne ich promieniowanie spada na zakres promieniowania rentgenowskiego i twardego ultrafioletu. Na zdjęciu rentgenowskim Syriusza mały Syriusz B jest silniejszy niż Syriusz A - najjaśniejsza gwiazda na niebie.

Widma i skład chemiczny

Te interesujące obiekty mają przypisaną osobną klasę widmową D, w której występuje kilka podklas związanych z cechami widm odzwierciedlającymi skład cienkiej atmosfery krasnoludków.

Tak więc atmosfera może być wodorem lub helem, a także może charakteryzować się obecnością obu tych pierwiastków i domieszką cięższych (wszystko, co jest cięższe niż hel, jest powszechnie nazywane "metalami" w astronomii). Linie węglowe, tlenowe, wapniowe, żelazne (czasami trudno wytłumaczyć ich obecność) znajdują się w widmach wielu białych karłów.

Cechy składu podglebia według nowoczesnych modeli są następujące: zawierają dość dużo węgla i tlenu (tyle, ile gwiazda macierzysta "zadziałała"), a także hel z niewielką ilością wodoru. Jądra wszystkich tych pierwiastków tworzą sieć, a elektrony są zdegenerowanym gazem, więc substancja ma pewne właściwości, które zbliżają ją do metalu, na przykład, wysoką przewodność cieplną.

Białe karły w bliskich układach podwójnych

Krasnoludy mogą być częścią systemów podwójnych, których elementy gwiazdy są tak blisko siebie, że wymieniają materię. W takim przypadku masywny, gęsty karzeł wciągnie na siebie substancję towarzyszącą.

Wodór z sąsiedniej gwiazdy na gorącej powierzchni krasnoluda jest podgrzewany do temperatury, w której rozpoczyna się synteza termojądrowa. W tym przypadku jest flash, zwany nową gwiazdą.

Jeśli, gdy wodór spadnie na karzeł, jego masa przekroczy granicę Chandrasekhara, nastąpi zawalenie, któremu towarzyszy eksplozja supernowej typu Ia. Obserwacja takich supernowych w odległych galaktykach jest bardzo interesująca, ponieważ jasność rozbłysków o tych samych właściwościach determinuje odległość do galaktyk.

Tajemnicze przedmioty

Biały karzeł jest zjawiskiem, które w ogóle nie jest rzadkością we Wszechświecie, ale trudno je zaobserwować z powodu niskiej jasności. Ale czasami naukowcy mają szczęście, gdy znajdują interesujące zjawiska.

Na przykład w 1600 lat świetlnych od nas w gwiazdozbiorze Raka jest układ zamknięty, utworzony przez dwóch krasnoludków. Według astronomów dzieli ich zaledwie 80 000 km - pięć razy mniej niż z Ziemi na Księżyc. Okres ich wzajemnego traktowania wynosi 5,4 minuty. Możliwe, że wkrótce się połączą i nastąpi eksplozja supernowej. To, jak składniki tego systemu okazały się tak blisko siebie, nie jest jeszcze jasne.

Metalowe linie w widmach karłów zostały wymienione powyżej. Naukowcy uważają, że te elementy mogą wskazywać na zniszczenie planet w procesie śmierci gwiazdy macierzystej. Kto wie, może w odległej przyszłości wszystko, co pozostanie na naszej planecie, będzie śladem krzemu, żelaza i tlenu w spektrum krasnoluda, do którego będzie się zwracać słońce. Nie powinieneś się denerwować: stanie się to wkrótce.

Szczegóły procesów prowadzących do narodzin tych niesamowitych obiektów również nie są w pełni zrozumiałe, a ich model ewolucji jest daleki od zakończenia. Więc białe karły to gwiazdy, które astrofizycy wciąż mają wiele niespodzianek, mimo że historia ich studiów ma ponad sto lat.