Белый карлик – результат эволюции звезд, его плотность и температура, цвет и размеры, возможно ли превращение или взрыв Солнца или Сириуса

Белый карлик – загадка Вселенной или естественный ход вещей

Во Вселенной, помимо молодых звезд видимого спектра, существует огромное количество звезд, горящих едва заметным тусклым светом. Это белые карлики – звезды, прошедшие практически полный цикл эволюции, звездная карьера которых катится к закату.

Что представляют собой белые карлики?

Неопределенность оценки звездного населения нашей галактики объясняется техническими трудностями обнаружения объектов. Заглянуть вглубь космоса мешают огромные массивы звездного газа и космической пыли, туманности и скопления, населяющие рукава галактики Млечный путь.

В те годы, когда техника не позволяла детально изучать космическое пространство, белые карлики считались редким явлением. Однако сегодня человечество вооружено до зубов мощнейшими телескопами, которые могут заглянуть в глубины космоса под иным спектром. В среднем, пространственная плотность белых карликов составляет 100 звезд на сферу космического пространства диаметром 60 световых лет. В нашей галактике существует до полутора тысяч подобных объектов.

Галактика Млечный путь, белые карлики

Полторы тысячи — это довольно много, учитывая возраст Вселенной. Т.е. за 13-14 млрд. лет в пределах галактики Млечный путь внушительное количество звезд уже находится в преклонном возрасте, ожидая своей дальнейшей участи. Если брать в расчет сотни, десятки сотен других галактик, то это число соответственно многократно увеличится. Учитывая небольшие размеры, которые свойственны таким звездам, то в действительности их может оказаться значительно больше.

Белый карлик -это звезда по размерам равная планете Земля, однако масса такой звездочки в сто тысяч раз больше массы нашей голубой планеты. Как правило, масса белого карлика варьируется в диапазоне 0,6-1,44 солнечных масс. Для этой категории звезд характерным является зависимость «масса-радиус». Чем больше масса стареющей звезды, тем меньше ее размеры. Из школьного курса астрономии известно, что белые карлики являются обнажившимся ядром звезды, которая сбросила верхний слой звездной материи. По факту такое ядро имеет небольшие размеры, является горячим. Низкая светимость есть доказательство отсутствия у этого небесного тела термоядерных реакций. Да и откуда им взяться! За миллиарды лет существования звезды, ее запасы водорода – основного звездного топлива — исчерпались. Основными компонентами белого карлика теперь стали не водород и гелий, а углерод и кислород. Плотность такого обнажившегося ядра колоссальна и составляет 10⁶-10⁷ г/см³.

Такая высокая плотность обусловлена чудовищным давлением. Остаточная материя пребывает в состоянии гравитационного баланса, который создается сочетанием массы и размеров объекта.

Остывающий белый карлик

Отсутствие ядерных реакций приводит к тому, что звезда начинает медленно остывать. Интенсивность излучения падает сравнительно медленно, на 1-2% за сотни лет. Процесс остывания сильно растянут по времени и может продлиться триллионы лет, прежде чем звезда исчезнет в космическом пространстве как материальное тело. Температура звезды, только что перешедшей в категорию пенсионеров, на поверхности довольно высокая — 100-200 тыс. Кельвина. Для старых белых карликов температура на поверхности уже достаточно низкая — 5000К.

Солнце также ожидает подобная судьба. Через 5-6 млрд. лет наше главное светило неизбежно истратит весь запас водорода и гелия, уйдя на пенсию в статусе белого карлика.

История открытия белых карликов

Современная наука о звездах обрела свои реальные очертания только в середине XX века. Уже в начале 30-х годов ученые-астрофизики могли свободно рассчитать параметры любой наблюдаемой звезды: ее светимость, размеры и температуру. На этом фоне явно выделялся один объект, который портил всю стройную картину — звезда 40 Эридана В, обнаруженная еще в далеком 1783 году известным астрономом Уильямом Гершелем. В отличие от привычных звезд для этого светила было характерно явное несоответствие: небольшие размеры, низкая светимость и высокая температура. Подобные факты шли в разрез со всеми существующими законами физики. Со временем удалось обнаружить еще несколько подобных объектов, одним из которых стал Сириус В. Да, именно Сириус В – скромная маленькая звездочка, пребывающая в тени своей ослепительной соседки Сириуса.

Поводом к открытию стало наблюдением за поведением Сириуса, которое проводил немецкий астроном Вильгельм Бессель. Ему удалось обнаружить неестественное для звезды движение. Сириус двигался в космическом пространстве по синусоиде. Долгие годы ученый ломал голову над этой загадкой, пока не пришел к выводу, что рядом с Сириусом расположена другая звезда, небольшая и едва заметна. Именно ее гравитационные силы воздействуют на поведение Сириуса. Позже, в 1862 году А. Кларку удалось с помощью мощного оптического телескопа обнаружить невзрачного соседа Сириуса. Таким образом, выяснилось, что предсказания и расчеты Бесселя оказались правильными.

Наблюдение за Сириусом

Уже в XX веке удалось выяснить, что «двойник Сириуса» имеет температуру 25000К выше, чем у самой яркой звезды. Небольшие размеры столь горячего тела наталкивали ученых на мысль, что причина такого состояния — высокая плотность объекта. Это открытие в корне перевернуло всю устоявшуюся теорию о происхождении звезд. Появился новый и важный элемент в эволюции звездного населения галактик Вселенной. Наука получила в свои руки доказательства природы старения звезд.

Физика процесса

По сути, белые карлики являются огарками звезд, утративших свою жизненную силу и энергию. В отличие от обычных желтых карликов, где звездная материя пребывает в равновесии, белые карлики лишены такого устойчивого баланса. Для того, чтобы силы внутренней гравитации могли противостоять внешнему воздействию, нужно иметь мощные источники внутренней энергии. В противном случае, теряя часть своей материи, звезда быстро бы разрушилась под воздействием гравитации. Внутренним источником энергии является реакция термоядерного синтеза, в ходе которой водород превращается в гелий. Запасы водорода определяются массой звезды, соответственно от этого зависит и длительность термоядерных реакций. Как только водородное топливо выгорает, звездная материя утрачивает равновесие. Под действием собственной силы тяжести звезда начинает стремительно сжиматься, превращаясь из огромного красного гиганта в маленький белый карлик.

Процесс охлаждения белого карлика

С точки зрения квантовой физики этот процесс можно объяснить следующим образом. Атомы начинают сжиматься, теряя внутренние энергетические связи. Увеличившаяся плотность объединяет электроны в новую субстанцию — вырожденный электронный газ. В таком состоянии электроны плотно взаимодействуют друг с другом, противодействуя силам гравитационного сжатия. Образуется так называемое голое ядро, которое не имеет ни внешней оболочки, ни короны.

На этом этапе эволюции звезд решающая роль принадлежит квантовым свойствам элементарных частиц. Этому способствует такое явление, как вырожденное давление, возникающее в результате сильнейшего сжатия материи в недрах небесного тела. Процесс гравитационного сжатия у белого карлика не возникает на пустом месте. Это происходит постепенно до тех пор, пока расстояние между ядрами атомов не уменьшится до размеров радиуса электронов. Дальнейшее сжатие невозможно, так как оболочка электронов уже не подвержена физическим изменениям. В таком состоянии электроны двигаются хаотично, теряя связь с ядрами. Такая квантовая механика характерна для внутреннего строения металлов, где кинетическая энергия перерастает в тепловую и распределяется от внутренних областей к поверхности, поэтому можно утверждать, что белый карлик напоминает раскаленный кусок металла.

Электронный вырожденный газ

Для электронного газа характерна одна особенность. В процессе сжатия скорость электронов постоянно растет. Самые быстрые электроны стремятся занять любое освободившиеся место, тем самым уменьшая объем газовой субстанции. По мере приближения к поверхности ядра вырожденное давление ослабевает, что приводит к снижению температуры стареющей звезды. Здесь процесс ионизации атомов еще только начинается, поэтому звездная материя пребывает в обычном газообразном состоянии.

Строение белых карликов

Природа процессов, протекающих в недрах стареющей звезды, отражается на ее строении. Первым отличительным признаком белого карлика является его атмосфера. Анализируя данные оптических наблюдений, напрашивается вывод: толщина атмосферного слоя у такой звезды составляет всего несколько сотен метров. Судя по составу спектра, каждый из таких объектов имеет свой химический состав. В связи с этим, белые карлики делятся на два типа:

Для первого типа основными компонентами являются ограниченное количество водорода (не более 0,05%), гелий, углерод, кальций, железо и титан (звездный металл). Горячие белые карлики имеют температуру 50000К. Для второго типа белых карликов основным компонентом является гелий. Атомов водорода в таких звездах один на миллион. Холодные карлики разогреты в десятки раз меньше, всего до отметки 5000К. Первые «водородные» белые карлики относятся к спектральному классу DA, вторые — «гелиевые» — относятся к белым карликам типа DB.

Строение белого карлика

Атмосфера белого карлика покрывает область оставшейся невырожденной материи, в которой присутствует ограниченное количество свободных электронов. Этот слой имеет толщину в 150-170 км, занимая 1% радиуса стареющей звезды. Толщина слоя невырожденной материи может меняться по мере старения объекта, однако размер звезды остается тем же. В таком состоянии белый карлик может находиться до самой своей кончины. Окончательные размеры белых карликов определятся его массой. Как и в случае с минимальной предельной массой, существует критический порог размеров подобных объектов.

Ученые допускают минимально возможный радиус для белых карликов в 10 тыс. км.

Минимальный размер белого карлика

Под слоем невырожденной материи начинается царство релятивистского вырожденного электронного газа, который представляет собой изотермически выделенную субстанцию. Температура здесь постоянная по всем направлениям и составляет миллионы градусов Кельвина. Тепловая энергия передается от внутренних областей звезды к поверхности, излучаясь в окружающее космическое пространство. Подобные процессы не позволяют телу светиться ярким светом. Основной поток тепловой энергии представлен рентгеновским излучением.

Судьба белого карлика

Каждая звезда, подобная нашему Солнцу, закончит свои дни в статусе белого карлика. Этот этап в жизни звезды будет блеклым, невзрачным и в то же время достаточно долгим. В конечном итоге белый карлик умрет. Сегодня, по мнению ученых, возраст Вселенной не позволяет говорить о том, что в ее глубинах уже имеются черные, мертвые карлики. Существует теория, что количество белых карликов увеличивается с постоянной величиной. В силу малой изученности космоса, мы не можем говорить о точном количестве подобных объектов. Допускается версия, что белых карликов во Вселенной значительно больше. Интересно другое. Какие звезды становятся белыми карликами, а какие нет?

В научной среде нет единого мнения о природе белых карликов. Считается, что половина всех существующих подобных объектов в космическом пространстве возникает в процессе эволюции обычных звезд главной последовательности, тогда как другая половина возникает в недрах планетарных туманностей. Точных данных о природе возникновения белых карликов на сегодняшний момент нет. Основные версии и теории базируются на моделях, создаваемых путем логических умозаключений.

Белый карлик планетарная туманность

Несмотря на всю сложность существующего вопроса, точно известно одно. Все звезды, массивные, сверхмассивные и обычные в процессе своего существования неизбежно растрачивают часть своей звездной материи.

Для нашего Солнца тоже уготована судьба стать белым карликом. Сначала медленная старость, которая завершиться тихой смертью звезды в просторах Вселенной. Светила, масса которых вдвое превышает солнечную массу, идут по другому пути эволюции. Утратив устойчивость, такая звезда на финальной стадии может взорваться, озарив космос вспышкой сверхновой, и превратиться в небольшой нейтронный шарик.

Эволюция звезд – это процесс, который протекает вне зависимости от нашего существования. Рождение человеческой цивилизации, гибель ее будут протекать в те периоды, когда наше Солнце еще будет далеко от своего финала. Солнце может погубить нас еще в статусе красного гиганта, испепелив Землю до состояния уголька. До того момента, когда в пределах видимости наших оптических приборов появится новый белый карлик, пройдет бесконечно много времени.

Белые карлики — очередная загадка Вселенной

Когда мы смотрим на ночное небо, нам кажется, что все звезды одинаковы. Человеческий глаз с большим трудом различает видимый спектр света, излучаемого далекими небесными светилами. Звезда, которую еще едва видно, может уже давно погасла, и мы наблюдаем только ее свет. Каждая из звезд проживает свою жизнь. Одни светят ровным белым светом, другие выглядят пульсирующими неоновым светом яркими точками. Третьи представляют собой тусклые светящиеся пятнышки, едва заметные в небе.

Каждая из звезд пребывает на определенном этапе своей эволюции и с течением времени превращается в небесное светило другого класса. Вместо яркой и ослепительной точки на ночном небе появляется новый космический объект — белый карлик — стареющая звезда. Этот этап эволюции характерен для большинства обычных звезд. Не избежать подобной участи и нашему Солнцу.

Что такое белый карлик: звезда или фантом?

Только недавно, в XX веке ученым стало понятно, что белый карлик – это все, что осталось в космосе от обычной звезды. Изучение звезд с точки зрения термоядерной физики дало представление о процессах, которые бушуют в недрах небесных светил. Звезды, образовавшиеся в результате взаимодействия сил гравитации, представляют собой колоссальный термоядерный реактор, в котором постоянно происходят цепные реакции деления ядер водорода и гелия. В таких сложных системах темпы эволюции компонентов неодинаковы. Огромные запасы водорода обеспечивают жизнь звезды на миллиарды лет вперед. Термоядерные водородные реакции способствуют образованию гелия и углерода. Следом за термоядерным синтезом в дело вступают законы термодинамики.

После того, как звезда израсходовала весь водород, ее ядро под воздействием гравитационных сил и колоссального внутреннего давления начинает сжиматься. Теряя основную часть своей оболочки, небесное светило достигает предел массы звезды, при которой может существовать как белый карлик, лишенный источников энергии, продолжая по инерции излучать тепло. На самом деле белые карлики — это звезды из класса красных гигантов и сверхгигантов, утративших наружную оболочку.

Термоядерный синтез истощает звезду. Водород иссякает, а гелий, как более массивный компонент может проэволюционировать дальше, достигнув нового состояния. Все это приводит к тому, что сначала красные гиганты образуются на месте обычной звезды, и звезда покидает главную последовательность. Таким образом, небесное светило, встав на путь своего медленного и неизбежного старения постепенно трансформируется. Старость звезды – это долгий путь в небытие. Все это происходит очень медленно. Белый карлик является небесным светилом, с которым вне пределов главной последовательности, происходит неизбежный процесс угасания. Реакция синтеза гелия приводит к тому, что ядро стареющей звезды сжимается, светило окончательно теряет свою оболочку.

Эволюция белых карликов

Вне главной последовательности происходит процесс угасания звезды. Под воздействием сил гравитации нагретый газ красных гигантов и сверхгигантов разлетается по Вселенной, образуя молодую планетарную туманность. Через сотни тысяч лет туманность рассеивается, а на ее месте остается вырожденное ядро красного гиганта белого цвета. Температуры такого объекта достаточно высоки от 90000 К, оценивая по линии поглощения спектра и до 130000 К, когда оценка осуществляется в пределах рентгеновского спектра. Однако ввиду небольших размеров, остывание небесного светила происходит очень медленно.

Та картина звездного неба, которую мы наблюдаем, имеет возраст в десятки-сотни миллиардов лет. Там, где мы видим белые карлики, в пространстве уже возможно существует другое небесное тело. Звезда перешла в класс черного карлика, конечный этап эволюции. В действительности на месте звезды остается сгусток материи, температура которого равняется температуре окружающего пространства. Главная особенность этого объекта — полное отсутствие видимого света. Заметить такую звезду в обычный оптический телескоп достаточно трудно ввиду слабой светимости. Основным критерием обнаружения белых карликов является наличие мощного ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей.

Все известные белые карлики в зависимости от своего спектра делятся на две группы:

• объекты водородные, спектрального класса DA, в спектре которых отсутствуют линии гелия;
• гелиевые карлики, спектральный класс DB. Основные линии в спектре приходятся на гелий.

Белые карлики водородного типа составляют большинство популяции, до 80% из всех известных на данный момент объектов подобного типа. На гелиевые карлики приходится оставшиеся 20%.

Этап эволюции, в результате которой появляется белый карлик, является последним для немассивных звезд, к которым относится и наша звезда Солнце. На данном этапе звезда обладает следующими характеристиками. Несмотря на столь маленькие и компактные размеры звезды, ее звездное вещество весит ровно столько, сколько требуется для ее существования. Другими словами, белые карлики, которые имеют радиусы в 100 раз меньше радиуса солнечного диска, имеют массу равную массе Солнца или даже весят больше, чем наша звезда.

Этого говорит о том, что плотность белого карлика в миллионы раз выше плотности обычных звезд, находящихся в пределах главной последовательности. К примеру, плотность нашей звезды 1,41 г/см³, тогда как плотность у белых карликов может достигать колоссальных значений 105-110 г/см3.

В отсутствие собственных источников энергии, такие объекты постепенно остывают, соответственно имеют невысокую температуру. На поверхности белых карликов зафиксирована температура в диапазоне 5000-50000 градусов Кельвина. Чем старше звезда, тем ниже ее температура.

К примеру, соседка самой яркой звезды нашего небосклона Сириуса А, белый карлик Сириус В, имеет температуру поверхности всего 2100 градусов Кельвина. Внутри это небесное тело значительно горячее, почти 10000°К. Сириус В стал первым из белых карликов, обнаруженных астрономами. Цвет белых карликов, открытых после Сириуса В, оказался таким же белым, что и послужило поводом дать такое название этому классу звезд.

По яркости света Сириус А в 22 раза превышает яркость нашего Солнца, а вот ее сестра Сириус В светит тусклым светом, заметно уступая по яркость своей ослепительной соседке. Обнаружить присутствие белого карлика удалось благодаря снимкам Сириуса, сделанным рентгеновским телескопом Чандра. Белые карлики не обладают ярко выраженным световым спектром, поэтому принято считать такие звезды достаточно холодными темными космическими объектами. В инфракрасном и в рентгеновском диапазоне Сириус В светит значительно ярче, продолжая излучать огромное количество тепловой энергии. В отличие от обычных звезд, где источником рентгеновских волн служит корона, источником излучения у белых карликов является фотосфера.

Находясь вне главной последовательности по распространенности эти звезды не самые распространенные объекты во Вселенной. В нашей галактике на долю белых карликов приходится всего 3-10% небесных светил. Для этой части звездного населения нашей галактики неопределенность оценки затрудняет слабость излучения в видимой области поляры. Другими словами, свет белых карликов не в состоянии преодолеть большие скопления космического газа, из которых состоят рукава нашей галактики.

Научный взгляд на историю появления белых карликов

Дальше в небесных светилах на месте иссякших основных источников термоядерной энергии возникает новый источник термоядерной энергии, тройная гелиевая реакция, или тройной альфа-процесс, обеспечивающая выгорание гелия. Эти предположения полностью подтвердились, когда появилась возможность наблюдать поведение звезд в инфракрасном диапазоне. Спектр света обычной звезды существенно отличается от той картины, которую мы наблюдаем, глядя на красные гиганты и белые карлики. Для вырожденных ядер таких звезд существует верхний предел массы, в противном случае небесное тело становится физически неустойчивым и может наступить коллапс.

Объяснить столь высокую плотность, которую имеют белые карлики с точки зрения физических законов практически невозможно. Происходящие процессы стали понятны, только благодаря квантовой механике, которая позволила изучить состояние электронного газа звездного вещества. В отличие от обычной звезды, где для изучения состояния газа используется стандартная модель, в белых карликах ученые имеют дело с давлением релятивистского вырожденного электронного газа. Говоря понятным языком, наблюдается следующее. При огромном сжатии в 100 и более раз, звездное вещество становится похоже на один большой атом, в котором все атомные связи и цепочки сливаются воедино. В таком состоянии электроны образуют вырожденный электронный газ, новое квантовое образование которого может противостоять силам гравитации. Этот газ образует плотное ядро, лишенное оболочки.

При детальном изучении белых карликов с помощью радиотелескопов и рентгеновской оптики оказалось, что эти небесные объекты не такие простые и скучные, как может показаться на первый взгляд. Учитывая отсутствие внутри таких звезд термоядерных реакций, невольно возникает вопрос – откуда берется огромное давление, сумевшее уравновесить силы гравитации и силы внутреннего притяжения.

В результате исследований ученых физиков в области квантовой механики, была создана модель белого карлика. Под действием сил гравитации, звездное вещество сжимается до такой степени, что электронные оболочки атомов разрушаются, электроны начинают свое собственное хаотичное движение, переходя из одного состояния в другое. Ядра атомов в отсутствие электронов образуют систему, образуя между собой прочную и устойчивую связь. Электронов в звездном веществе настолько много, что образуется много состояний, соответственно скорость электронов сохраняется. Большая скорость элементарных частиц создает колоссальное внутренне давление электронного вырожденного газа, который в состоянии противостоять силам гравитации.

Когда стали известны белые карлики?

Несмотря на то, что первым белым карликом, открытым астрофизиками, считается Сириус В, имеются сторонники версии более раннего знакомства научного сообщества со звездными объектами этого класса. Еще в 1785 году астроном Гершель впервые включил в звездный каталог тройную звездную систему в созвездии Эридана, разделив все звезды по отдельности. Только спустя 125 лет астрономы выявили аномально низкую светимость 40 Эридана В при высокой цветовой температуре, что послужило поводом для выделения таких объектов в отдельный класс.

Объект обладал слабым блеском, соответствующим звездной величине +9,52m. Белый карлик обладал массой ½ солнечной и имел диаметр меньше земного. Эти параметры противоречили теории внутреннего строения звезд, где светимость, радиус и температура поверхности звезды являлись ключевыми параметрами определения класса звезды. Маленький диаметр, низкая светимость с точки зрения физических процессов не соответствовали высокой цветовой температуре. Такое несоответствие вызывало много вопросов.

Аналогичным образом выглядела ситуация с другим белым карликом — Сирусом В. Являясь спутником самой яркой звезды белый карлик имеет небольшие размеры и огромную плотность звездного вещества — 106 г/см3. Для сравнения, вещество этого небесного светила количеством со спичечный коробок весило бы на нашей планете более миллиона тонн. Температура этого карлика в 2,5 раза выше главной звезды системы Сириус.

Последние научные выводы

Небесные светила, с которыми мы имеем дело, представляют собой естественный природный полигон, благодаря которому человек может изучить строение звезд, этапы их эволюции. Если рождение звезд можно объяснить физическими законами, которые одинаково действуют в любой обстановке, то эволюция звезд представлена совершенно иными процессами. Научное объяснение многих из них переходит в категорию квантовой механики, науки об элементарных частицах.

Белые карлики выглядят в этом свете самыми загадочными объектами:

• Во-первых, очень любопытно выглядит процесс вырождения ядра звезды, в результате которого звездное вещество не разлетается в космосе, а наоборот, сжимается до невообразимых размеров;
• Во-вторых, при отсутствии термоядерных реакций, белые карлики остаются достаточно горячими космическими объектами;
• В-третьих, эти звезды, имея высокую цветовую температуру, обладают низкой светимостью.

На эти и многие другие вопросы учеными всех мастей, астрофизикам, физикам и ядерщикам еще предстоит дать ответы, которые позволят предугадать судьбу нашего родного светила. Солнце ожидает судьба белого карлика, однако остается под вопросом, сможет ли человек наблюдать Солнце в этой роли.

В конце жизни звёзды превращаются в белые карлики, нейтронные звёзды или чёрные дыры.

Сен 17

В конце жизни звёзды превращаются в белые карлики, нейтронные звёзды или чёрные дыры.

4-1. Жизненный цикл звезды в зависимости от её массы (по blackholecam.org).

4-2. Туманность Улитка (ближайшая к нам планетарная туманность, 700 световых лет) в созвездии Водолея – красивейший «памятник» звезде типа нашего Солнца, погибшей десять тысяч лет назад (ESO).

4-3. Туманность Кошачий глаз (3000 световых лет от нас) в созвездии Дракона – ещё один вид завершающего этапа эволюции звезды, похожей на наше Солнце, после того, как у неё закончится термоядерное топливо (NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team – STScI / AURA).

4-4. Туманность Эскимос (3 тысячи световых лет от нас) в созвездии Близнецов. 10 тысяч лет назад на месте этой туманности была звезда, похожая на наше Солнце. Как и большинство фотографий космических объектов, это изображение сделано совмещением данных, полученных оптическими, инфракрасными и рентгеновскими телескопами в искусственных цветах. Но каждая деталь этих завораживающих видов, хоть и не будет видна глазом даже с близкого расстояния, существует на самом деле (Andrew Fruchter – STScI et al., WFPC2, HST, NASA).

4-5. Туманность Гомункул (8 тысяч световых лет от нас) появилась на небе в результате выброса вещества из звезды-сверхгиганта Эта Киля – самой большой из известных науке звёзд (120 масс Солнца и 240 его диаметров). В центре изображения видно фиолетовое свечение — отражение света Эты Киля. В течение нескольких миллионов лет она может взорваться как яркая сверхновая (N. Smith, J. A. Morse – U. Colorado et al., NASA).

Итак, жизнь звезды имеет начало и конец. И в конце её жизни, после того, как иссякнет источник энергии, от звезды остаётся какой-то очень небольшой по размеру остаток: белый карлик, нейтронная звезда или чёрная дыра.

Белый карлик получается из звезды типа нашего Солнца, причём без всякого взрыва. Это объект размером с Землю и массой, как у Солнца. Его плотность настолько высока, что электронные оболочки атомов разрушаются, и вещество становится электронно-ядерной плазмой. Один из первых известных белых карликов открыли, изучая самую яркую звезду ночного неба – Сириус. Оказалось, что его спутник белый, маленький и очень тяжёлый.

Если масса звезды больше солнечной в несколько раз, мощная гравитация превратит электроны и протоны в нейтроны, и сжатие пойдёт ещё дальше. При этом образуется нейтронная звезда – очень интересный объект со сверхвысокой температурой и плотностью, сверхмощными магнитными и гравитационными полями. Только представьте себе звезду с массой Солнца и радиусом всего 10 км, которая делает оборот вокруг своей оси за одну тысячную секунды!

Самые массивные звёзды превращаются в чёрные дыры. Гравитационное притяжение чёрной дыры настолько велико, что покинуть её не могут даже фотоны. У нас пока нет точной теории, полностью описывающей внутреннее строение чёрных дыр.

Это – глава из стенгазеты, выпущенной благотворительным проектом «Коротко и ясно о самом интересном». Нажмите на миниатюру газеты ниже и читайте остальные статьи по интересующей вас тематике. Спасибо!

Материал выпуска любезно предоставил Сергей Борисович Попов – астрофизик, доктор физико-математических наук, профессор Российской академии наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. Штернберга Московского государственного университета, лауреат нескольких престижных премий в области науки и просвещения. Надеемся, что знакомство с выпуском будет полезно и школьникам, и родителям, и учителям – особенно сейчас, когда астрономия снова вошла в список обязательных школьных предметов (приказ №506 Минобрнауки от 7 июня 2017 года).

Все стенгазеты, изданные нашим благотворительным проектом «Коротко и ясно о самом интересном», ждут вас на сайте к-я.рф. Есть также группа вконтакте и ветка на сайте Питерских родителей Литтван, где мы обсуждаем выход новых газет. Любой желающий может бесплатно получать наши газеты в местах раздачи в Петербурге.

Загадочные белые карлики

Белые карлики – звезды, имеющие большую массу (порядка солнечной) и малый радиус (радиус Земли), что менее предела Чандрасекара для выбранной массы, являющиеся продуктом эволюции красных гигантов. Процесс производства термоядерной энергии в них прекращен, что приводит к особым свойствам этих звезд. Согласно различным оценкам, в нашей Галактике их количество составляет от 3 до 10 % всего звездного населения.

История открытия

В 1844 году немецкий астроном и математик Фридрих Бессель при наблюдении Сириуса обнаружил небольшое отклонение звезды от прямолинейного движения, и сделал предположение о наличии у Сириуса невидимой массивной звезды-спутника.

Его предположение было подтверждено уже в 1862 году, когда американский астроном и телескопостроитель Альван Грэхэм Кларк, занимаясь юстировкой самого крупного в то время рефрактора, обнаружил возле Сириуса неяркую звезду, которую впоследствии окрестили Сириус Б.

Белый карлик Сириус Б имеет низкую светимость, а гравитационное поле воздействует на своего яркого компаньона довольно заметно, что свидетельствует о том, что у этой звезды крайне малый радиус при значительной массе. Так впервые был открыт вид объектов, названный белыми карликами. Вторым подобным объектом была звезда Маанена, находящаяся в созвездии Рыб.

Механизм образования

Белые карлики представляют собой конечную стадию эволюции небольшой звезды с массой, сравнимой с массой Солнца. В каком случае они появляются? Когда в центре звезды, например, как наше Солнце, выгорает весь водород, ее ядро сжимается до больших плотностей, тогда как внешние слои сильно расширяются, и, сопровождаясь общим потускнением светимости, звезда превращается в красного гиганта. Пульсирующий красный гигант затем сбрасывает свою оболочку, поскольку внешние слои звезды слабо связаны с центральным горячим и очень плотным ядром. Впоследствии эта оболочка становится расширяющейся планетарной туманностью. Как видите красные гиганты и белые карлики очень тесно взаимосвязаны.

Сжатие ядра происходит до крайне малых размеров, но, тем не менее, не превышает предела Чандрасекара, то есть верхний предел массы звезды, при котором она может существовать в виде белого карлика.

Виды белых карликов

Спектрально их разделяют по двум группам. Излучение белого карлика делят на наиболее распространенный «водородный» спектральный класс DA (до 80 % от общего количества), в котором отсутствуют спектральные линии гелия, и более редкий «гелиевый белый карлик» тип DB, в спектрах звезд которого отсутствуют водородные линии.

Американский астроном Ико Ибен предложил различные сценарии их происхождения: в виду того, что горение гелия в красных гигантах неустойчиво, периодически развивается слоевая гелиевая вспышка. Он удачно предположил механизм сброса оболочки в разные стадии развития гелиевой вспышки – на ее пике и в период между двумя вспышками. Образование его зависит от механизма сброса оболочки соответственно.

Вырожденный газ

До того как Ральф Фаулер в 1922 году в своей работе «Плотная материя» дал объяснение характеристикам плотности и давления внутри белых карликов, высокая плотность и физические особенности такого строения казались парадоксальными. Фаулер предположил, что в отличие от звезд главной последовательности, для которых уравнение состояния описывается свойствами идеального газа, в белых карликах оно определяется свойствами вырожденного газа.

Вырожденный газ образуется, когда расстояние между его частицами становится меньше волны де-Бройля, а значит, что на его свойствах начинают сказываться квантово-механические эффекты, вызванные тождественностью частиц газа.

В белых карликах, из-за огромных плотностей, оболочки атомов разрушаются под силой внутреннего давления, и вещество становится электронно-ядерной плазмой, причем электронная часть описывается свойствами вырожденного электронного газа, аналогичными поведению электронов в металлах.

Строение

Среди них наиболее распространены углеродно-кислородные с оболочкой, состоящей из гелия и водорода.

Статистически радиус белого карлика сравним с радиусом Земли, а масса варьируется от 0,6 до 1,44 солнечных масс. Поверхностная температура находится в пределах – до 200 000 К, что также объясняет их цвет.

Основной характеристикой внутреннего строения является очень высокая плотность ядра, в котором гравитационное равновесие обуславливается вырожденным электронным газом. Температура в недрах белого карлика и гравитационное сжатие уравновешивается давлением вырожденного газа, что обеспечивает относительную устойчивость диаметра, а его светимость, в основном, происходит за счет остывания и сжатия внешних слоев. Состав зависит насколько успела проэволюционировать материнская звезда, в основном это углерод с кислородом и небольшие примеси водорода и гелия, которые превращаются в вырожденный газ.

Эволюция

Гелиевая вспышка и сброс внешних оболочек красным гигантом продвигает звезду по диаграмме Герцшпрунга-Рассела, обуславливая его превалирующий химический состав. Жизненный цикл белого карлика, после этого, остается стабилен до самого своего остывания, когда звезда теряет свою светимость и становится невидимой, входя в стадию так называемого «черного карлика», — конечный результат эволюции, хотя в современной литературе этот термин используется все реже.

Присутствие рядом звездных компаньонов продляет их жизнь из-за падения вещества на поверхность через формирование аккреционного диска. Особенности аккреции вещества в парных системах могут приводить к накоплению вещества на поверхности белых карликов, что в результате приводит к взрыву новой или сверхновой звезды (в случае особо массивных) типа Ia.

В случае если в системе «белый карлик – красный карлик» аккреция нестационарна, результатом может быть своеобразный взрыв белого карлика (например U Gem (UG)) или же новоподобных переменных звезд, взрыв которых носит катастрофический характер.

Положение на диаграмме Герцшпрунга-Рассела

На диаграмме они занимают левую нижнюю часть, принадлежа ветви звезд, покинувших главную последовательность из состояния красных гигантов.

Здесь находится область горячих звезд с низкой светимостью, которая является второй по численности среди звезд наблюдаемой Вселенной.

Спектральная классификация

Они выделены в особый спектральный класс D (от английского Dwarfs – карлики, гномы). Но в 1983 году Эдвард Сион предложил более точную классификацию, которая учитывает различия их спектров, а именно: D (подкласс) (спектральная особенность) (температурный индекс).

Существуют следующие подклассы спектров DA, DB, DC, DO, DZ и DQ, которые уточняют наличие или отсутствие линий водорода, гелия, углерода и металлов. А спектральные особенности P, H, V и X уточняют наличие или отсутствие поляризации, магнитного поля при отсутствии поляризации, переменность, пекулярность или неклассифицируемость белых карликов.

Интересные факты

1. Какой ближайший белый карлик к Солнцу? Ближайший это звезда ван Маанена, которая представляет собой тусклый объект находящийся всего в 14,4 световых лет от Солнца. Она расположена в центре созвездия Рыб.

Звезда ван Маанена является слишком слабой, чтобы мы смогли ее увидеть невооруженным глазом, ее звездная величина 12,2. Однако если рассматривать белый карлик в системе со звездой, то ближайшим является Сириус Б, удаленный от нас на расстояние 8.5 световых лет. Кстати, самый известный белый карлик это Сириус Б.

2. Самый большой белый карлик располагается в центре планетарной туманности М27 (NGC 6853), которая больше известна как туманность Гантель. Она находится в созвездии Лисички, на расстоянии около 1360 световых лет от нас. Ее центральная звезда больше, чем любой другой известный белый карлик, на данный момент.

3. Самый маленький белый карлик имеет неблагозвучное название GRW +70 8247 и находится примерно в 43 световых лет от Земли в созвездии Дракона. Его звездная величина около 13 и виден он только через большой телескоп.

4. Срок жизни белого карлика зависит от того, как медленно он будет остывать. Иногда на его поверхности накапливается достаточно газа и он превращается в сверхновую типа Ia. Продолжительность жизни весьма велика – миллиарды лет, а точнее 10 в 19 степени и даже больше. Большая продолжительность жизни связана с тем, что они очень медленно остывают и у них есть все шансы дожить до конца Вселенной. А время остывания пропорционально четвертой степени температуры.

5. Среднестатистический белый карлик размеры имеет в 100 раз меньше чем наше Солнце, а при плотности 29000 кг/кубический сантиметр, вес 1 кубического см равняется 29 тоннам. Но стоит учитывать, плотность может варьировать в зависимости от размеров, от 10*5 до 10*9 г/см3.
6. Наше Солнце в конечной стадии превратится в белый карлик. Как бы грустно это не звучало, но масса нашей звезды не позволяет ей превратиться в нейтронную звезду или черную дыру. Солнце превратится в белого карлика и будет в таком виде существовать еще миллиарды лет.

7. Как превращается звезда в белый карлик? В основном все зависит от массы, давайте рассмотрим на примере нашего Солнца. Пройдет еще несколько миллиардов лет и Солнце начнет увеличиваться в размерах, превращаясь в красного гиганта, связанно это с тем, что весь водород выгорит в его ядре. После того, как водород выгорит начнется реакция синтеза гелия и углерода.

В результате этих процессов звезда становится нестабильной и возможно образование звездных ветров. Так как реакции горения более тяжелых элементов чем гелий, приводят к большему выделению тепла. При синтезе гелия, некоторым участкам, расширившейся внешней оболочки Солнца, удастся оторваться и вокруг нашей звезды сформируется планетарная туманность. В результате от нашей звезды в конечном итоге останется одно ядро и когда Солнце превратится в белый карлик в нем уже прекратятся реакции ядерного синтеза.

8. Планетарная туманность, которая образуется в результате расширения и сброса своих внешних оболочек часто очень ярко светится. Причина заключается в том, что оставшееся от звезды ядро (считай белый карлик) остывает очень медленно, а высокая температура поверхности в сотни тысяч и миллионы градусов по Кельвину, излучает, в основном, в далеком ультрафиолете. Газы туманности поглощая эти УФ кванты, переизлучают их в видимой части света, попутно поглотив часть энергии кванта и светят очень ярко, в отличии от остатка, который в видимом диапазоне очень тусклый.

Ответы на вопросы

1. Чем отличается белый карлик от нейтронной звезды? Вся эволюция звезды основывается на первоначальной ее массе, от этого параметра и будет зависть ее светимость, продолжительность жизни и во что она превратится в конце. Для звезды массой 0,5-1,44 солнечной, жизнь закончится тем, что звезда расширится и превратится в красного гиганта, который сбросив свои внешние оболочки образует планетарную туманность оставит после себя лишь одно ядро, состоящее из вырожденного газа.

Это упрощенный механизм того, как образуется белый карлик. Если масса звезды больше 1,44 массы Солнца (так называемый предел Чандрасекара, при котором звезда может существовать как белый карлик. Если масса будет превышать его, то она станет нейтронной звездой.), то звезда израсходовав весь водород в ядре начинает синтез более тяжелых элементов, вплоть до железа. Дальнейший синтез элементов, которые тяжелее железа, невозможен т.к. требует больше энергии чем выделяется в процессе синтеза и ядро звезды коллапсирует в нейтронную звезду. Электроны срываются с орбит и падают в ядро, там сливаются с протонами и в итоге образуются нейтроны. Нейтронное вещество весит в сотни и миллионы раз больше чем любое другое.

2. Отличие белого карлика и пульсара. Все те же самые отличия что и в случае с нейтронной звездой, только стоит учитывать, что пульсар (а это и есть нейтронная звезда) еще и очень быстро вращается, десятки раз в секунду, а период вращения белого карлика составляет, на примере звезды 40 Eri B, 5 часов 17 минут. Разница ощутима!

3. Из-за чего светятся белые карлики? Так термоядерные реакции уже не происходят все имеющееся излучение это тепловая энергия, так почему они светятся? По сути он медленно остывает, как раскаленное железо, которое сперва ярко белое, а затем краснеет. Вырожденный газ очень хорошо проводит тепло из центра и он остывает на 1% за сотни миллионов лет. Со временем остывание замедляется и он может просуществовать триллионы лет.

4. Во что превращаются белые карлики? Возраст Вселенной слишком мал, для того чтобы могли образоваться, так называемые, черные карлики, конечной стадия эволюции. Так что видимых подтверждений у нас пока нет. На основе расчетов его остывания мы знаем лишь одно, что их продолжительность жизни, имеет поистине огромную, превышающую возраст Вселенной (13,7 млрд. лет) и теоретически составляющую триллионы лет.

Но нейтронная звезда, обладает поистине сильным магнитным полем – 10*11 Тл и называется магнетаром! На поверхности некоторых магнетаров могут образовываться толчки, которые формируют колебания в звезде. Эти колебания часто приводят к огромным выбросам гамма-излучения магнетаром. Так, например, магнетар SGR 1900+14, который находится на расстоянии на 20 000 световых лет, в созвездии Орла, взорвался 27 августа 1998 г. Мощная вспышка гамма излучения была настолько сильной, что заставила выключить аппаратуру космического аппарата NEAR Shoemaker в целях ее сохранения.

лучения магнетаром. Так, например, магнетар SGR 1900+14, который находится на расстоянии на 20 000 световых лет, в созвездии Орла, взорвался 27 августа 1998 г. Мощная вспышка гамма излучения была настолько сильной, что заставила выключить аппаратуру космического аппарата NEAR Shoemaker в целях ее сохранения.