Білі карлики: характеристика, фото

У Всесвіті речовина нерідко перебуває в станах, абсолютно екстремальних для нашої планети. Тут відсутні високі температури і тиску, сильні гравітаційні й магнітні поля, інтенсивні жорсткі випромінювання, завдяки чому, власне, й змогла виникнути і розвинутися складна біосфера. Однак екстремальність того чи іншого об’єкта – велика умовність, адже для Всесвіту подібні стани матерії зовсім звичайні. Людство вперше дізналася про них завдяки відкриттю особливого класу зірок – білих карликів.

Відкриття дивних об’єктів

Історія вивчення незвичайних зірок взяла старт на початку XX століття, коли астрономи об’єднали результати спостережень декількох близько розташованих кратних зоряних систем – 40 Ерідана, Сіріуса і Проциона. З’ясувалося, що в кожній з цих систем один з компонентів характеризується дивним поєднанням властивостей. Їх орбітальні параметри свідчили про досить великій масі, порівнянної з масою звичайної зірки; спектральні характеристики вказували на високу температуру. Світність ж цих об’єктів виявилася дуже малою – це були слабкі, тьмяні зірочки.

У 1917 році був відкритий перший одиночний об’єкт з подібними властивостями – зірка Ван Маанена, розташована в 14 світлових роках від Сонця. Маса її становить 0,7 сонячних мас, і при цьому наше Сонце випромінює більш ніж у п’ять тисяч разів могутніше, ніж зірка Ван Маанена, що отримала ім’я на честь свого першовідкривача – голландського астронома, працював у США.

У 1922 році ще один голландський американець, В. Я. Лейтен, відкрив кілька таких об’єктів, запропонував для цього класу зірок назва, яку ми вживаємо і понині: «білий карлик». Тут термін «білий» означає «гарячий» і пов’язаний зі спектральними особливостями.

Трохи про еволюцію зірок

Ключовий параметр всіх зірок – це маса. Вона задає інтенсивність всіх відбуваються в зірці процесів, так як від маси зірки залежить тиск, щільність і, відповідно, температура речовини в її надрах. А чим вище значення цих величин, тим вище ймовірність кожного акту термоядерного синтезу, тобто він протікає з більшою інтенсивністю. Стабільність зорі підтримується рівновагою між силою її гравітаційного стиснення і силою тиску, расталкивающей її за рахунок енерговиділення в ході ядерних реакцій.

Маса ж визначає і тривалість стабільного існування зірки до вичерпання водню як термоядерного пального (етап «головної послідовності»), і її подальшу долю. В кінці цього періоду свого життя зірки в залежності від маси зазнають ті або інші зміни, результатом яких стає перетворення їх в об’єкти одного з трьох типів: білі карлики, нейтронні зірки або чорні дірки. Нас буде цікавити перший варіант.

Дивіться також:  Прага: коли краще їхати і що подивитися

Серце червоного гіганта

Якщо маса зірки не перевищує деякої порогової величини (1,44 маси Сонця), їй судилося стати карликом. Яким чином це відбувається? Після вичерпання водню в центрі зорі утворюється щільне гелиевое ядро – по суті, шлак, напрацьований за час її життя.

Енергія більше не відводиться з центру, отже, зростають температура і щільність – адже зірку стискає власна гравітація. У якийсь момент вони досягають такого значення, при якому вже гелій здатний вступати в реакцію синтезу, утворюючи вуглець. В оболонці зірки в цей час відбуваються процеси, що ведуть до її роздування і охолодження зовнішніх областей. Зірка стає червоним гігантом.

Ядро червоного гіганта має ізотермічні властивості, охолоджуючись в основному не за рахунок віддачі випромінювання з поверхні, а в результаті винесення енергії нейтрино – частинок, для яких ядро прозоро.

Червоний гігант – нестабільна зірка. Зрештою, вона втрачає свої зовнішні шари – при цьому утворюються такі видовищні космічні феномени, як планетарні туманності. Залишається тільки гаряче гелиевое ядро з великим або меншим вмістом вуглецю і – в дуже малій концентрації – більш важких елементів (кисень). Це ядро і є білий карлик.

Виродження газу

Маса ядра порівнянна з масою Сонця, а ось розмір на два порядки менше, ніж у нашого світила. Звідси висновок: щільність білих карликів величезна. Вона може складати від сотень кілограмів до тисяч тонн на кубічний сантиметр. Що являє собою речовину в такому стані: тверде тіло або, може бути, рідина? Ні, тверді тіла і рідини не можуть існувати при таких густинах, набагато перевищують найбільш компактну упаковку атомів в речовині. Це особливий стан речовини.

Внаслідок гігантських тисків електронні оболонки атомів в цьому газі зруйновані. Речовина являє собою жахливо стислу плазму, поведінка якої можливо описати тільки із застосуванням квантової механіки. Електрони не можуть мати одні й ті ж квантові стани («заборона Паулі»), в силу чого швидкості їх приймають найрізноманітніші значення. У звичайному газі температура пов’язана зі швидкістю частинок. У даному ж випадку, яку б температуру ні мало речовина, швидкості електронів з нею ніяк не пов’язані і можуть досягати релятивістських значень. Такий електронний газ називається виродженим.

Дивіться також:  Як варити пельмені? Скільки часу на це потрібно?

Межа Чандрасекара

Тиск виродженого газу визначається його щільністю. Воно, як і протидіюча сила гравітаційного стиснення, має пряму залежність (але в іншій мірі) від маси білих карликів і зворотний – від їх радіусу. Тобто існують такі значення маси, при яких тиск буде врівноважувати гравітацію, що забезпечить стабільне існування карлика. Якщо ж критична величина 1,44 маси Сонця перевищена, ядра зірки карликом не бути: тиск не зупинить стиснення, радіус буде продовжувати зменшуватися, і сформується нейтронна зірка.

Ця критична маса носить найменування межі Чандрасекара в честь індійського фізика, довів у 1931 році її існування. Чим більше маса карлика, тим менше його радіус. Сила тяжіння на таких зірок у десятки разів перевищує таку у поверхні Сонця. Втім, у Сонця в цьому сенсі все ще попереду: йому судилося через кілька мільярдів років стати подібним карликом.

Про температурі, розмірах і світності

Поверхнева температура білих карликів може досягати декількох десятків і навіть понад сотні тисяч градусів (у Сонця – близько 5800 К), а розміри порівнянні з розмірами Землі, тобто площа випромінюючої поверхні надзвичайно мала. Тепер ясно, чому у них така низька світність – просто вони маленькі.

Власних термоядерних джерел енергії вони не мають, і світність їх обумовлена величезним запасом внутрішнього тепла, не залежачи від маси тіла, а від віку. Карлик може остигати дуже довго – десятки і навіть сотні мільярдів років саме тому, що віддає випромінювання через малу поверхню. Молоді гарячі карлики остигають швидше. Максимум їх випромінювання припадає на рентгенівський і жорсткий ультрафіолетовий діапазон. Так, на рентгенівському знімку Сіріуса крихітний Сіріус В світить могутніше, ніж Сіріус А – найяскравіша зірка на земному небі.

Спектри і хімічний склад

Цим найцікавішим об’єктам присвоєно окремий спектральний клас D, в якому виділяють кілька підкласів, пов’язаних з особливостями спектрів, що відбивають склад тонкої атмосфери карликів.

Так, атмосфера може бути водневої або гелієвої, а також характеризуватися присутністю обох цих елементів і домішкою більш важких (все, що важче гелію, в астрономії прийнято іменувати «металами»). Лінії вуглецю, кисню, кальцію, заліза (пояснити їх присутність іноді буває важко), виявлені у спектрах багатьох білих карликів.

Дивіться також:  Крок-месьє: рецепт приготування французького гарячого бутерброда

Характеристика складу надр, згідно сучасним моделям, наступна: вони містять досить багато вуглецю і кисню (стільки, скільки «напрацювала» батьківська зірка), а також гелій з малою домішкою водню. Ядра всіх цих елементів утворюють подобу решітки, а електрони – вироджений газ, тому речовина має деякі властивості, які зближують його з металом, наприклад, високу теплопровідність.

Білі карлики в тісних подвійних системах

Карлики можуть входити до складу подвійних систем, зірки-компоненти яких настільки зближені, що обмінюються речовиною. У цьому випадку масивний щільний карлик буде перетягувати на себе речовина компаньйона.

Водень, що потрапляє від сусідньої зірки на гарячу поверхню карлика, розігрівається до температури, при якій починається термоядерний синтез. У цьому випадку спостерігається спалах, яка називається новою зіркою.

Якщо ж при падінні водню на карлик його маса перевершить межа Чандрасекара, відбувається колапс, що супроводжується вибухом наднових типу Ia. Спостереження таких наднових в далеких галактиках представляє великий інтерес, оскільки по яскравості спалахів, що мають однакові характеристики, встановлюють відстань до галактик.

Об’єкти, повні загадок

Білий карлик – явище зовсім не рідкісне у Всесвіті, але спостерігати їх важко із-за низької світності. Але іноді вченим везе на виявлення найцікавіших феноменів.

Наприклад, у 1600 світлових років від нас у сузір’ї Рака знаходиться тісний система, утворена двома карликами. За оцінками астрономів, їх розділяють всього 80 000 км – уп’ятеро менше, ніж від Землі до Місяця. Період їх взаємного обігу становить 5,4 хвилини. Не виключено, що скоро вони зіллються, і відбудеться спалах наднової. Яким чином компоненти цієї системи виявилися настільки зближені, поки неясно.

Вище згадувалися лінії металів в спектрах карликів. Вчені вважають, що ці елементи можуть свідчити про руйнування планет в процесі загибелі батьківської зірки. Як знати, можливо, в далекому майбутньому все, що залишиться від нашої планети – це будуть сліди кремнію, заліза і кисню в спектрі карлика, який перетвориться Сонце. Засмучуватися не варто: це станеться ще нескоро.

Деталі процесів, що призводять до народження цих дивних об’єктів, теж не ясні в повній мірі, і модель еволюції їх далеко не повна. Так що білі карлики – зірки, які піднесуть астрофізикам ще безліч сюрпризів, незважаючи на те, що історія їх вивчення налічує вже більше сотні років.