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.
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.
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.
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.
