Белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры


Белые карлики: остывающие звезды во вселенной

У каждой звезды своя судьба и своя продолжительность жизни. Наступает момент, когда она начинает угасать.

Белые карлики – это необычные звезды. Они состоят из вещества, плотность которого чрезвычайно высока. В теории звездной эволюции они рассматриваются как заключительный этап эволюции звезд малой и средней массы, сравнимыми с массой Солнца. По разным оценкам в нашей Галактике насчитывается 3-4 % таких звезд.

Как же образуются белые карлики?

После того как в стареющей звезде выгорит весь водород, ее ядро сжимается и разогревается, — это способствует расширению ее внешних слоев. Эффективная температура звезды падает, и она превращается в красного гиганта. Разреженная оболочка звезды, очень слабо связанная с ядром, со временем рассеивается в пространстве, перетекая на соседние планеты, а на месте красного гиганта остается очень компактная звезда, называемая белым карликом.

Долгое время оставалось загадкой, почему белые карлики, имеющие температуру, превосходящую температуру Солнца, по сравнению с размерами Солнца невелики, пока не выяснилось, что плотность вещества внутри них предельно высока (в пределах 105 – 109 г/см3). Стандартной зависимости — масса-светимость — для белых карликов не существует, что отличает их от других звезд. В чрезвычайно малом объеме «упаковано» огромное количество вещества, из-за чего плотность белого карлика почти в 100 раз больше плотности воды.

(На картинке сравнение размеров двух белых карликов с планетой Земля

)

Температура белых карликов остается практически постоянной, несмотря на отсутствие внутри них термоядерных реакций. Чем же это объясняется? По причине сильного сжатия электронные оболочки атомов начинают проникать друг в друга. Это продолжается до тех пор, пока между ядрами расстояние не становится минимальным, равным радиусу наименьшей электронной оболочки. В результате ионизации электроны начинают свободно двигаться относительно ядер, а вещество внутри белого карлика приобретает физические свойства, которые характерны для металлов. В подобном веществе энергия к поверхности звезды переносится электронами, скорость которых по мере сжатия все больше увеличивается: некоторые из них двигаются со скоростью, соответствующей температуре в миллион градусов. Температура на поверхности и внутри белого карлика может резко отличаться, что не приводит к изменению диаметра звезды. Здесь можно привести сравнение с пушечным ядром – остывая, оно не уменьшается в объеме.

(На картинке звезда ван Маанена — тусклый белый карлик, находящийся в созвездии Рыб

)

Угасает белый карлик крайне медленно: за сотни миллионов лет интенсивность излучения падает всего на 1%. Но в итоге он должен будет исчезнуть, превратившись в черного карлика, для чего могут потребоваться триллионы лет. Белые карлики вполне можно назвать уникальными объектами Вселенной. Воспроизвести в земных лабораториях условия, в которых они существуют, еще никому не удалось.

Различия в цвете звезд

Различия в цвете звезд объясняются тем, что звезды имеют разную температуру. Вот отчего это происходит. Свет — это волновое излучение. Расстояние между гребнями одной волны называется ее длиной. Волны света очень коротки. Насколько? Попробуйте разделить дюйм на 250000 равных частей (1 дюйм равен 2,54 сантиметра). Несколько таких частей составят длину световой волны.

Несмотря на столь ничтожную длину световой волны, малейшая разница между размерами световых волн резко меняет цвет картинки, которую мы наблюдаем. Это происходит от того, что световые волны различной длины воспринимаются нами как разные цвета. Например, длина волны красного цвета в полтора раза больше, чем длина волны синего. Белый цвет — это луч, состоящий из фотонов световых волн различной длины, то есть из лучей разного цвета.

Из повседневного опыта нам известно, что цвет тел зависит от их температуры. Положите в огонь железную кочергу. Нагреваясь, она сначала приобретает красный цвет. Затем она покраснеет еще больше. Если бы кочергу можно было нагреть еще сильнее, не расплавив ее, то из красной она превратилась бы в оранжевую, потом в желтую, потом в белую и наконец, в сине-белую.

Интересно: Древние обсерватории — фото и видео

Солнце — желтая звезда. Температура на его поверхности 5 500 градусов Цельсия. Температура на поверхности самой горячей голубой звезды превышает 33000 градусов.

Материалы по теме

Каким образом светит Солнце

Температура звезды

Процессы синтеза с ядрами тяжелых элементов дает намного больше энергии. В рамках термоядерной реакции синтеза, энергия получается за счет избыточной массы соединяющихся атомов. Во время протон-протонной реакции, которая происходит внутри Солнца, 6 ядер водорода с атомной массой 1 объединяются в одно ядро гелия с массой 4— грубо говоря, 2 лишних ядра водорода переходят в энергию. А когда «горит» углерод, сталкиваются ядра с массой уже 12 — соответственно, выход энергии куда больше.

А Вы смотрели: Планковская плотность

Площадь излучающей поверхности

Однако звезды не только генерируют энергию, но и тратят ее. Следовательно, чем больше энергии звезда отдает, тем меньше ее температура. А количество отдаваемой энергии первоочередно определяет площадь излучаемой поверхности.

Истинность этого правила можно проверить даже в быту — белье сохнет быстрее, если его развесить пошире на веревке. А поверхность звезды расширяет ее ядро. Чем оно плотнее, тем выше его температура — и при достижении определенной планке, от накала зажигается водород вне звездного ядра.

Ядра красных гигантов очень плотные, поскольку там очень много гелия. Иногда он уже и сам «зажжен» термоядерной реакцией. Поэтому площадь их поверхности превышает площадь Солнца в десятки тысяч, а то и в миллион раз! Так что фотосфера даже самых больших красных гигантов в два раза холоднее поверхности Солнца.

Восход раскаленного красного гиганта в представлении художника

Восход раскаленного красного гиганта в представлении художника

Астрономы увидели пережившее превращение звезды в белый карлик планетное ядро

Астрономы обнаружили свидетельства существования небольшого плотного тела на близкой орбите у белого карлика. Это исключительно редкая ситуация, так как объект обращается вокруг звезды всего за два часа, в то время как предыдущая эволюция светила должна была очистить непосредственное окружение от подобных тел. Это второй случай, когда планетоподобное тело обнаруживают на орбите у белого карлика. Авторы статьи, опубликованной в Science

, считают, что это металлическое ядро бывшей планеты.

Большинство звезд, в том числе и наше Солнце, в конце эволюции превратится в белые карлики — компактные объекты, по размеру сравнимые с Землей, удерживаемые от дальнейшего коллапса давлением вырожденного ферми-газа электронов. Такая судьба ждет все светила с начальной массой примерно от 0,8 до 8 солнечных. Однако перед достижением этого состояния звезды проходят через ряд относительно непродолжительных стадий красных гигантов, во время которых их размер значительно увеличивается, иногда до нескольких сотен раз. Также само превращение в белый карлик сопровождается сбрасыванием внешних оболочек. Соответственно, в такие периоды светила должны поглощать или сводить с орбит все находящиеся рядом тела.

Получается, что в окрестностях белых карликов не должно быть каменных тел, богатых тяжелыми элементами. Тем не менее спектры около четверти белых карликов указывают на наличие таких атомов в атмосфере звезд, в то время как благодаря большой гравитации и маленькому размеру, они должны очень быстро опускаться во внутренние области, оставляя на поверхности лишь гелий. Существование таких белых карликов, называемых загрязненными (polluted white dwarfs), объясняют постоянным попаданием вещества из окружающего пространства. Этому также есть и наблюдательные подтверждения, так как у около четырех процентов белых карликов наблюдаются пылевые диски. Подробнее о планетных белых карликов можно узнать в видео Постнауки.

Однако обнаружение относительно крупных тел в этих дисках — исключительно редкое событие. До недавнего времени был известен только один подобный случай — белый карлик WD 1145+017, который наблюдался телескопом «Кеплер». В его данных ученым удалось выделить серию периодических уменьшений яркости, что говорило о прохождении непрозрачного тела по диску звезды. Эти изменения были несимметричны во времени и существенно менялись от раза к разу. Авторы пришли к выводу, что им удалось наблюдать разрушение карликовых планет, планетезималей или ядер каменных планет под действием яркого излучения и приливных сил со стороны белого карлика.

В работе астрономов под руководством Кристофера Менсера (Christopher Manser) из Уорикского университета описывается второй подобный случай. В данной ситуации астрономы использовали спектроскопические данные с наземного Большого Канарского телескопа. Они обнаружили периодические вариации в величине и форме линии излучения Ca II, которая порождается веществом в остаточном газовом диске. Период обращения обнаруженного объекта составляет около двух часов, что говорит о близости тела к белому карлику SDSS J1228+1040.

Оценки ученых показывают, что для противодействия приливному воздействию звезды тело должно быть очень плотным по планетным меркам: минимальная плотность для твердого объекта составляет около восьми грамм на кубический сантиметр, что примерно соответствует железу, а если данное тело жидкое, то оно должно быть еще в пять раз плотнее. Соответствующие оценки для размера дают значение от 200 до 4 километров. Также астрономы выдвигают гипотезу о его происхождении — скорее всего это, металлическое ядро каменной планеты, кора и мантия которой разрушились и отделились при приближении к звезде на более ранних этапах.

Результаты работы показывают возможность существования относительно крупных каменных тел на близких орбитах к белым карликам. Этот вывод важен как в контексте эволюции звезд и их планетарных систем, так и в контексте геологии, так как исследования испаряющихся с поверхности такого объекта веществ может рассказать о составе ядер каменных планет, что невозможно узнать непосредственно в случае Солнечной системы. Также необходимо отметить, что авторы использовали не транзитный метод исследования, благодаря которому удалось обнаружить большинство известных на данный момент экзопланет, а спектроскопические наблюдения. Данный подход не чувствителен к геометрическому расположению плоскости орбит, в то время как для наблюдения транзитов объекты обязаны проходить между звездой и наблюдателем.

Исследования белых карликов важны для предсказания будущего всех звезд средних масс, в том числе Солнца. Недавно международный коллектив предсказал превращение ядер таких светил в гигантские кристаллы. Также за последние годы ученым впервые удалось напрямую наблюдать сжатие белого карлика.

Тимур Кешелава

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: