Самый большой на то время телескоп в мире (Dearborn Telescope ), впоследствии поставленный семейной фирмой Кларков в обсерваторию Чикагского университета , обнаружил в непосредственной близости от Сириуса тусклую звёздочку. Это был спутник Сириуса, Сириус B , предсказанный Бесселем. А в 1896 году американский астроном Д. М. Шеберле открыл Процион B, подтвердив тем самым и второе предсказание Бесселя.
В 1915 году американский астроном Уолтер Сидней Адамс измерил спектр Сириуса B. Из измерений следовало, что его температура не ниже, чем у Сириуса A (по современным данным, температура поверхности Сириуса B составляет 25 000 , а Сириуса A - 10 000 K), что, с учётом его в 10 000 раз более низкой светимости, чем у Сириуса A, указывает на очень малый радиус и, соответственно, высокую плотность - 10 6 г/см³ (плотность Сириуса ~0,25 г/см³, плотность Солнца ~1,4 г/см³).
Парадокс плотности
«Я был у своего друга … профессора Э. Пиккеринга с деловым визитом. С характерной для него добротой он предложил получить спектры всех звёзд, которые Хинкс и я наблюдали … с целью определения их параллаксов . Эта часть казавшейся рутинной работы оказалась весьма плодотворной - она привела к открытию того, что все звёзды очень малой абсолютной величины (то есть низкой светимости) имеют спектральный класс M (то есть очень низкую поверхностную температуру). Как мне помнится, обсуждая этот вопрос, я спросил у Пиккеринга о некоторых других слабых звёздах…, упомянув, в частности, 40 Эридана B . Ведя себя характерным для него образом, он тут же отправил запрос в офис (Гарвардской) обсерватории, и вскоре был получен ответ (я думаю, от миссис Флеминг), что спектр этой звезды - A (то есть высокая поверхностная температура). Даже в те палеозойские времена я знал об этих вещах достаточно, чтобы сразу же осознать, что здесь имеется крайнее несоответствие между тем, что мы тогда назвали бы „возможными“ значениями поверхностной яркости и плотности. Я, видимо, не скрыл, что не просто удивлён, а буквально сражён этим исключением из того, что казалось вполне нормальным правилом для характеристик звёзд. Пиккеринг же улыбнулся мне и сказал: „Именно такие исключения и ведут к расширению наших знаний“ - и белые карлики вошли в мир исследуемого»
Удивление Расселла вполне понятно: 40 Эридана B относится к относительно близким звёздам, и по наблюдаемому параллаксу можно достаточно точно определить расстояние до неё и, соответственно, светимость. Светимость 40 Эридана B оказалась аномально низкой для её спектрального класса - белые карлики образовали новую область на Г-Р диаграмме . Такое сочетание светимости, массы и температуры было непонятно и не находило объяснения в рамках стандартной модели строения звёзд главной последовательности, разработанной в 1920-х годах.
Высокая плотность белых карликов оставалась необъяснимой в рамках классической физики и астрономии и нашла объяснение лишь в рамках квантовой механики после появления статистики Ферми - Дирака . В 1926 году Фаулер в статье «О плотной материи» («On dense matter», Monthly Notices R. Astron. Soc. 87, 114-122 ) показал, что, в отличие от звёзд главной последовательности, для которых уравнение состояния основывается на модели идеального газа (стандартная модель Эддингтона), для белых карликов плотность и давление вещества определяются свойствами вырожденного электронного газа (ферми-газа) .
Следующим этапом в объяснении природы белых карликов стали работы Якова Френкеля , Э. Стоунера и Чандрасекара . В 1928 году Френкель указал, что для белых карликов должен существовать верхний предел массы, то есть эти звёзды с массой выше определённого предела неустойчивы и должны коллапсировать . К этому же выводу независимо пришёл в 1930 году Э. Стоунер , который дал правильную оценку предельной массы. Более точно её вычислил в 1931 году Чандрасекар в работе «Максимальная масса идеального белого карлика» («The maximum mass of ideal white dwarfs», Astroph. J. 74, 81-82 ) (предел Чандрасекара) и независимо от него в 1932 году Л. Д. Ландау .
Происхождение белых карликов
Решение Фаулера объяснило внутреннее строение белых карликов, но не прояснило механизм их происхождения. В объяснении генезиса белых карликов ключевую роль сыграли две идеи: мысль астронома Эрнста Эпика , что красные гиганты образуются из звёзд главной последовательности в результате выгорания ядерного горючего, и предположение астронома Василия Фесенкова , сделанное вскоре после Второй мировой войны , что звёзды главной последовательности должны терять массу, и такая потеря массы должна оказывать существенное влияние на эволюцию звёзд . Эти предположения полностью подтвердились.
Тройная гелиевая реакция и изотермические ядра красных гигантов
В процессе эволюции звёзд главной последовательности происходит «выгорание» водорода - нуклеосинтез с образованием гелия (см. цикл Бете). Такое выгорание приводит к прекращению энерговыделения в центральных частях звезды, сжатию и, соответственно, к повышению температуры и плотности в её ядре. Рост температуры и плотности в звёздном ядре ведёт к условиям, в которых активируется новый источник термоядерной энергии: выгорание гелия (тройная гелиевая реакция или тройной альфа-процесс), характерный для красных гигантов и сверхгигантов.
При температурах порядка 10 8 К кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера : два ядра гелия ( 4 He , альфа-частицы) могут сливаться с образованием нестабильного изотопа бериллия 8 Be :
2 4 He + 2 4 He → 4 8 Be . {\displaystyle {}_{2}^{4}{\textrm {He}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}\rightarrow {}_{4}^{8}{\textrm {Be}}.}
Бо́льшая часть 8 Be снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении 8 Be с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода 12 C :
4 8 Be + 2 4 He → 6 12 C {\displaystyle {}_{4}^{8}{\textrm {Be}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}\rightarrow {}_{6}^{12}{\textrm {C}}} + 7,3 МэВ .
Несмотря на весьма низкую равновесную концентрацию 8 Be (например, при температуре ~10 8 К отношение концентраций [ 8 Be]/[ 4 He] ~10 −10), скорость такой тройной гелиевой реакции оказывается достаточной для достижения нового гидростатического равновесия в горячем ядре звезды. Зависимость энерговыделения от температуры в тройной гелиевой реакции чрезвычайно высока, так, для диапазона температур T {\displaystyle T} ~1-2⋅10 8 К энерговыделение ε 3 α {\displaystyle \varepsilon _{3\alpha }} :
ε 3 α = 10 8 ρ 2 Y 3 ⋅ (T 10 8) 30 , {\displaystyle \varepsilon _{3\alpha }=10^{8}\rho ^{2}Y^{3}\cdot \left({T \over {10^{8}}}\right)^{30},}
где Y {\displaystyle Y} - парциальная концентрация гелия в ядре (в рассматриваемом случае «выгорания» водорода близка к единице).
Следует, однако, отметить, что тройная гелиевая реакция характеризуется значительно меньшим энерговыделением, чем цикл Бете : в пересчёте на единицу массы энерговыделение при «горении» гелия более чем в 10 раз ниже, чем при «горении» водорода . По мере выгорания гелия и исчерпания источника энергии в ядре возможны и более сложные реакции нуклеосинтеза, однако, во-первых, для таких реакций требуются всё более высокие температуры, и, во-вторых, энерговыделение на единицу массы в таких реакциях падает по мере роста массовых чисел ядер, вступивших в реакцию.
Дополнительным фактором, по-видимому, влияющим на эволюцию ядер красных гигантов, является сочетание высокой температурной чувствительности тройной гелиевой реакции и реакций синтеза более тяжёлых ядер с механизмом нейтринного охлаждения : при высоких температурах и давлениях возможно рассеяние фотонов на электронах с образованием нейтрино -антинейтринных пар, которые свободно уносят энергию из ядра: звезда для них прозрачна. Скорость такого объёмного нейтринного охлаждения, в отличие от классического поверхностного фотонного охлаждения, не лимитирована процессами передачи энергии из недр звезды к её фотосфере . В результате реакции нуклеосинтеза в ядре звезды достигается новое равновесие, характеризующееся одинаковой температурой ядра: образуется изотермическое ядро (рис. 2).
В случае красных гигантов с относительно небольшой массой (порядка солнечной) изотермические ядра состоят, в основном, из гелия, в случае более массивных звёзд - из углерода и более тяжёлых элементов. Однако в любом случае плотность такого изотермического ядра настолько высока, что расстояния между электронами образующей ядро плазмы становятся соизмеримыми с их длиной волны Де Бройля λ = h / m v {\displaystyle \lambda =h/mv} , то есть выполняются условия вырождения электронного газа. Расчёты показывают, что плотность изотермических ядер соответствует плотности белых карликов, то есть ядрами красных гигантов являются белые карлики .
Физика и свойства белых карликов
Как уже упоминалось, массы белых карликов составляют порядка солнечной, но размеры составляют лишь сотую (и даже меньше) часть солнечного радиуса, то есть плотность вещества в белых карликах чрезвычайно высока и составляет ρ ∼ 10 5 − 10 9 {\displaystyle \rho \sim 10^{5}-10^{9}} г/см³. При таких плотностях электронные оболочки атомов разрушаются, и вещество представляет собой электронно-ядерную плазму, причём её электронная составляющая представляет собой вырожденный электронный газ. Давление такого газа подчиняется следующей зависимости:
P = K ρ 5 / 3 , {\displaystyle P=K\rho ^{5/3},}
где ρ {\displaystyle \rho } - его плотность, то есть, в отличие от уравнения Клапейрона (уравнения состояния идеального газа), для вырожденного электронного газа температура в уравнение состояния не входит - его давление от температуры не зависит, и, следовательно, строение белых карликов не зависит от температуры. Таким образом, для белых карликов, в отличие от звёзд главной последовательности и гигантов, не существует зависимость масса - светимость.
Зависимость масса - радиус и предел Чандрасекара
Рис. 6. Зависимость масса - радиус для белых карликов. Вертикальная асимптота соответствует пределу Чандрасекара
Вышеприведённое уравнение состояния действительно для холодного электронного газа, но температура даже в несколько миллионов градусов мала по сравнению с характерной ферми-энергией электронов ( k T ≪ E F {\displaystyle kT\ll E_{F}} ). Вместе с тем, при росте плотности вещества из-за запрета Паули (два электрона не могут иметь одно квантовое состояние, то есть одинаковую энергию и спин), энергия и скорость электронов возрастают настолько, что начинают действовать эффекты теории относительности - вырожденный электронный газ становится релятивистским. Зависимость давления релятивистского вырожденного электронного газа от плотности уже другая:
P = K ρ 4 / 3 . {\displaystyle P=K\rho ^{4/3}.}
Для такого уравнения состояния складывается интересная ситуация. Средняя плотность белого карлика
ρ ∼ M / R 3 , {\displaystyle \rho \sim M/R^{3},}
где M {\displaystyle M} - масса, а R {\displaystyle R} - радиус белого карлика.
Тогда давление
P ∼ M 4 / 3 / R 4 {\displaystyle P\sim M^{4/3}/R^{4}}
и сила давления, противодействующая гравитации и равная перепаду давления по глубине:
P R ∼ M 4 / 3 R 5 . {\displaystyle {P \over R}\sim {{M^{4/3}} \over {R^{5}}}.}
Гравитационные силы, противодействующие давлению:
ρ G M R 2 ∼ M 2 R 5 , {\displaystyle {{\rho GM} \over {R^{2}}}\sim {{M^{2}} \over {R^{5}}},}
то есть, хотя перепад давления и гравитационные силы одинаково зависят от радиуса, но по-разному зависят от массы - как ∼ M 4 / 3 {\displaystyle \sim M^{4/3}} и ∼ M 2 {\displaystyle \sim M^{2}} соответственно. Следствием такого соотношения зависимостей является существование некоторого значения массы звезды, при которой гравитационные силы уравновешиваются силами давления, а при увеличении массы белого карлика его радиус уменьшается (см. рис. 6). Другим следствием является то, что если масса больше некоторого предела (предел Чандрасекара), то звезда коллапсирует .
Таким образом, для белых карликов существует верхний предел массы. Интересно, что для наблюдаемых белых карликов существует и аналогичный нижний предел: поскольку скорость эволюции звёзд пропорциональна их массе, то мы можем наблюдать маломассивные белые карлики как остатки лишь тех звёзд, которые успели проэволюционировать за время от начального периода звездообразования Вселенной до наших дней.
Особенности спектров и спектральная классификация
Белые карлики выделяются в отдельный спектральный класс D (от англ. Dwarf - карлик), в настоящее время используется классификация, отражающая особенности спектров белых карликов, предложенная в 1983 г. Эдвардом Сионом; в этой классификации спектральный класс записывается в следующем формате :
D [подкласс] [особенности спектра] [температурный индекс] ,при этом определены следующие подклассы:
- DA - в спектре присутствуют линии бальмеровской серии водорода , линии гелия не наблюдаются;
- DB - в спектре присутствуют линии гелия He I, линии водорода или металлов отсутствуют;
- DC - непрерывный спектр без линий поглощения;
- DO - в спектре присутствуют сильные линии гелия He II, также могут присутствовать линии He I и H;
- DZ - только линии металлов, линии H или He отсутствуют;
- DQ - линии углерода, в том числе молекулярного C 2 ;
и спектральные особенности:
- P - наблюдается поляризация света в магнитном поле;
- H - поляризация при наличии магнитного поля не наблюдается;
- V - звёзды типа ZZ Кита или другие переменные белые карлики;
- X - пекулярные или неклассифицируемые спектры.
Эволюция белых карликов
Белые карлики начинают свою эволюцию как обнажившиеся вырожденные ядра красных гигантов, сбросивших свою оболочку - то есть в качестве центральных звёзд молодых планетарных туманностей . Температуры фотосфер ядер молодых планетарных туманностей чрезвычайно высоки - так, например, температура центральной звезды туманности NGC 7293 составляет от 90 000 К (оценка по линиям поглощения) до 130 000 К (оценка по рентгеновскому спектру) . При таких температурах большая часть спектра приходится на жёсткое ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение.
Вместе с тем, наблюдаемые белые карлики по своим спектрам преимущественно делятся на две большие группы - «водородные» спектрального класса DA, в спектрах которых отсутствуют линии гелия, которые составляют ~80 % популяции белых карликов, и «гелиевые» спектрального класса DB без линий водорода в спектрах, составляющие большую часть оставшихся 20 % популяции. Причина такого различия состава атмосфер белых карликов долгое время оставалась неясной. В 1984 году Ико Ибен рассмотрел сценарии «выхода» белых карликов из пульсирующих красных гигантов, находящихся на асимптотической ветви гигантов , на различных фазах пульсации . На поздней стадии эволюции у красных гигантов с массами до десяти солнечных в результате «выгорания» гелиевого ядра образуется вырожденное ядро, состоящее преимущественно из углерода и более тяжёлых элементов, окружённое невырожденным гелиевым слоевым источником, в котором идёт тройная гелиевая реакция. В свою очередь, над ним располагается слоевой водородный источник, в котором идут термоядерные реакции цикла Бете превращения водорода в гелий, окружённый водородной оболочкой; таким образом, внешний водородный слоевой источник является «производителем» гелия для гелиевого слоевого источника. Горение гелия в слоевом источнике подвержено тепловой неустойчивости вследствие чрезвычайно высокой зависимости от температуры, и это усугубляется большей скоростью преобразования водорода в гелий по сравнению со скоростью выгорания гелия; результатом становится накопление гелия, его сжатие до начала вырождения, резкое повышение скорости тройной гелиевой реакции и развитие слоевой гелиевой вспышки .
За крайне короткое время (~30 лет) светимость гелиевого источника увеличивается настолько, что горение гелия переходит в конвективный режим, слой расширяется, выталкивая наружу водородный слоевой источник, что ведёт к его охлаждению и прекращению горения водорода. После выгорания избытка гелия в процессе вспышки светимость гелиевого слоя падает, внешние водородные слои красного гиганта сжимаются, и происходит новый поджог водородного слоевого источника.
Ибен предположил, что пульсирующий красный гигант может сбросить оболочку, образовав планетарную туманность, как в фазе гелиевой вспышки, так и в спокойной фазе с активным слоевым водородным источником, и, поскольку поверхность отрыва оболочки зависит от фазы, то при сбросе оболочки во время гелиевой вспышки обнажается «гелиевый» белый карлик спектрального класса DB, а при сбросе оболочки гигантом с активным слоевым водородным источником - «водородный» карлик DA; длительность гелиевой вспышки составляет около 20 % от длительности цикла пульсации, что и объясняет соотношение водородных и гелиевых карликов DA:DB ~ 80:20 .
Крупные звёзды (в 7-10 раз тяжелее Солнца) в какой-то момент «сжигают» водород, гелий и углерод и превращаются в белые карлики с богатым кислородом ядром. Звёзды SDSS 0922+2928 и SDSS 1102+2054 с кислородсодержащей атмосферой это подтверждают.
Поскольку белые карлики лишены собственных термоядерных источников энергии, то они излучают за счёт запасов своего тепла. Мощность излучения абсолютно чёрного тела (интегральная мощность по всему спектру), приходящаяся на единицу площади поверхности, пропорциональна четвёртой степени температуры тела:
j = σ T 4 , {\displaystyle j=\sigma T^{4},}где j {\displaystyle j} - мощность на единицу площади излучающей поверхности, а σ {\displaystyle \sigma } - постоянная Стефана - Больцмана .
Как уже отмечалось, в уравнение состояния вырожденного электронного газа температура не входит - то есть радиус белого карлика и излучающая площадь остаются неизменными: в результате, во-первых, для белых карликов не существует зависимость масса - светимость, но существует зависимость возраст - светимость (зависящая только от температуры, но не от площади излучающей поверхности), и, во-вторых, сверхгорячие молодые белые карлики должны достаточно быстро остывать, так как поток излучения и, соответственно, темп остывания, пропорционален четвёртой степени температуры.
Стоит отметить, что на ранних стадиях остывания белых карликов, крайне важную роль играет нейтринное охлаждение , при больших светимостях эти процессы могут отводить из недр звезды значительно больше энергии, чем излучается с поверхности в виде фотонов . Нейтринное охлаждение очень сильно зависит от температуры, различные слабые процессы идущие при остывании могут быть пропорциональны от T 6 {\displaystyle T^{6}} до T 9 {\displaystyle T^{9}} .
Остывшие белые карлики
В пределе, после десятков миллиардов лет остывания любой белый карлик должен превратиться в так называемый Чёрный карлик (не излучающий видимый свет). Хотя пока таких объектов во Вселенной не наблюдается (по некоторым [каким? ] подсчётам минимум 10 15 лет требуется для остывания белого карлика до температуры 5 K ), так как время, прошедшее со времени образования первых звёзд во Вселенной, составляет (по современным представлениям) около 13 миллиардов лет, но некоторые белые карлики уже охладились до температур ниже 4000 кельвинов (например, белые карлики WD 0346+246 и SDSS J110217, 48+411315.4 с температурами 3700-3800 K и спектральным классом M0 на расстоянии около 100 световых лет от Солнца ), что, наряду с малыми размерами, делает их обнаружение весьма сложной задачей.
На последних этапах остывания чёрных карликов (после 10 15 лет ) важную роль будет играть процесс гравитационного захвата и аннигиляции темной материи . В отсутствие дополнительного источника энергии чёрные карлики становились бы более холодными и тусклыми, пока их температура не сравнялась бы с фоновой температурой Вселенной. Однако благодаря энергии, которую они извлекают из аннигиляции темной материи, белые карлики смогут дополнительно излучать энергию на протяжении ещё очень долгого времени. Полная мощность излучения одного чёрного карлика, обусловленная процессом аннигиляции темной материи, составляет приблизительно 10 15 ватт. И хотя эта незначительная мощность примерно в сто миллиардов (10 11) раз слабее мощности излучения Солнца, именно этот механизм производства энергии будет главным в почти остывших чёрных карликах будущего. Такая выработка энергии будет продолжаться, пока галактическое гало остается целым - то есть в течение 10 20 - 10 25 лет . Затем аннигиляция темной материи постепенно прекратится и они остынут окончательно.
Астрономические феномены с участием белых карликов
Рентгеновское излучение белых карликов
Рис. 10. Снимок Сириуса в мягком рентгеновском диапазоне. Яркий компонент - белый карлик Сириус Б, тусклый - Сириус А
Температура поверхности молодых белых карликов, изотропных ядер звёзд после сброса оболочек, очень высока - более 2⋅10 5 К , однако достаточно быстро падает за счёт излучения с поверхности. Такие очень молодые белые карлики наблюдаются в рентгеновском диапазоне (например, наблюдения белого карлика HZ 43 спутником ROSAT). В рентгеновском диапазоне светимость белых карликов превышает светимость звёзд главной последовательности: иллюстрацией могут служить снимки Сириуса , сделанные рентгеновским телескопом «Чандра» (см. рис. 10) - на них белый карлик Сириус Б выглядит ярче, чем Сириус А спектрального класса A1, который в оптическом диапазоне в ~10 000 раз ярче Сириуса Б .
Температура поверхности наиболее горячих белых карликов - 7⋅10 4 К , наиболее холодных - меньше 4⋅10 3 К (см., например, Звезда ван Маанена и WD 0346+246 с SDSS J110217, 48+411315.4 спектрального класса M0).
Особенностью излучения белых карликов в рентгеновском диапазоне является тот факт, что основным источником рентгеновского излучения для них является фотосфера , что резко отличает их от «нормальных» звёзд: у последних в рентгене излучает корона , разогретая до нескольких миллионов кельвинов, а температура фотосферы слишком низка для испускания рентгеновского излучения.
Аккреция на белые карлики в двойных системах
При эволюции звёзд различных масс в двойных системах темпы эволюции компонентов неодинаковы, при этом более массивный компонент может проэволюционировать в белый карлик, в то время как менее массивный к этому времени может оставаться на главной последовательности. В свою очередь, при сходе в процессе эволюции менее массивного компонента с главной последовательности и его переходе на ветвь красных гигантов размер эволюционирующей звезды начинает расти до тех пор, пока она не заполняет свою полость Роша . Поскольку полости Роша компонентов двойной системы соприкасаются в точке Лагранжа L 1 , то на этой стадии эволюции менее массивного компонента чего через точку L 1 начинается переток материи с красного гиганта в полость Роша белого карлика и дальнейшая аккреция богатой водородом материи на его поверхность (см. рис. 11), что приводит к ряду астрономических феноменов:
- Нестационарная аккреция на белые карлики в случае, если компаньоном является массивный красный карлик , приводит к возникновению карликовых новых (звёзд типа U Gem (UG)) и новоподобных катастрофических переменных звёзд .
- Аккреция на белые карлики, обладающие сильным магнитным полем , направляется в район магнитных полюсов белого карлика, и циклотронный механизм излучения аккрецирующей плазмы в околополярных областях магнитного поля карлика вызывает сильную поляризацию излучения в видимой области (поляры и промежуточные поляры).
- Аккреция на белые карлики богатого водородом вещества приводит к его накоплению на поверхности (состоящей преимущественно из гелия) и разогреву до температур реакции синтеза гелия, что, в случае развития тепловой неустойчивости, приводит к взрыву, наблюдаемому как вспышка новой звезды .
- Достаточно длительная и интенсивная аккреция на массивный белый карлик приводит к превышению его массой предела Чандрасекара и термоядерному взрыву , наблюдаемому как вспышка сверхновой типа Ia (см. рис. 12).
Примечания
- Я. Б. Зельдович , С. И. Блинников, Н. И. Шакура . Физические основы строения и эволюции звёзд . - М. : МГУ, 1981.
- Sinuosités observées dans le mouvement propre de Sirius, Fig. 320, Flammarion C., Les étoiles et les curiosités du ciel, supplément de «l’Astronomie populaire», Marpon et Flammarion, 1882
- E. Schatzman. White Dwarfs. - Amsterdam: North-Holland, 1958. - С. 1.
- Catalogue of Double Stars , William Herschel, Philosophical Transactions of the Royal Society of London 75 (1785), pp. 40-126
- On the proper motions of Procyon and Sirius (англ.) . Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (12/1844). Дата обращения 22 июля 2009. Архивировано 22 августа 2011 года.
- Flammarion C. (1877).
Откуда берутся белые карлики?
Что станет со звездой в конце ее жизненного пути зависит от массы, которую звезда имела при рождении. Звезды, которые изначально имели большую массу, заканчивают свою жизнь как черные дыры и нейтронные звезды. Звезды малой или средней массы (с массами менее 8 масс Солнца) станут белыми карликами. Типичный белый карлик имеет приблизительно массу Солнца, а по размеру немного превосходит Землю. Белый карлик представляет собой одну из наиболее плотных форм материи, которую по плотности превосходят только нейтронные звезды и черные дыры.
Звезды средней массы, как наше Солнце, живут благодаря переработке водорода в их ядрах в гелий. Этот процесс происходит на Солнце в настоящий момент. Энергия, которую вырабатывает Солнце посредством термоядерного синтеза гелия из водорода, создает внутреннее давление. В следующие 5 миллиардов лет Солнце израсходует запас водорода в ядре.
Звезду можно сравнить со скороваркой. При нагревании герметичного контейнера в нем повышается давление. Похожая вещь происходит в Солнце, конечно, строго говоря, Солнце нельзя назвать герметичным контейнером. Гравитация действует на вещество звезды, пытаясь сжать его, а давление, создаваемое горячим газом в ядре пытается расширить звезду. Баланс между давлением и гравитацией очень тонкий.
Когда у Солнца закончится запас водорода, в этом балансе начнет доминировать гравитация и звезда начнет сжиматься. Однако при сжатии происходит нагревание и часть водорода, оставшаяся во внешних слоях звезды начинает гореть. Эта горящая оболочка водорода расширяет внешние слои звезды. Когда это произойдет, наше Солнце станет красным гигантом, оно станет таким большим, что Меркурий будет полностью поглощен. Когда звезда увеличивается в размерах, она охлаждается. Однако температура ядра красного гиганта увеличивается до тех пор, пока не станет достаточно высокой, чтобы загорелся гелий (синтезированный из водорода). В конце концов, гелий превратится в углерод и более тяжелые элементы. Стадия, в которой Солнце будет красным гигантом, займет 1 миллиард лет, в то время как стадия горения водорода занимает 10 миллиардов.
Шаровое скопление М4. Оптическое изображение с наземного телескопа(слева) и снимок телескопа Хаббла (справа). Белые карлики отмечены кружками. Ссылка:Harvey Richer (University of British Columbia, Vancouver, Canada), M. Bolte (University of California, Santa Cruz) and NASA/ESA
Мы уже знаем, что звезды средней массы как наше Солнце станут красными гигантами. Но что произойдет потом? Наш красный гигант будет производить углерод из гелия. Когда закончится гелий, ядро будет еще не достаточно горячим, чтобы запустить горение углерода. Что теперь?
Поскольку Солнце не будет достаточно горячим для того, чтобы пошел процесс горения углерода, за дело снова возьмется гравитация. При сжатии звезды высвободится энергия, которая приведет к дальнейшему расширению оболочки звезды. Теперь звезда станет еще больше, чем прежде! Радиус нашего Солнца станет больше, чем радиус орбиты Земли!
В этот период Солнце станет нестабильным и будет терять свое вещество. Это продолжится до тех пор, пока звезда полностью не сбросит свои внешние слои. Ядро звезды останется целым и станет белым карликом. Белый карлик будет окружен расширяющейся оболочкой из газа, которая называется планетарная туманность. Туманности называются планетарными, потому что первые наблюдатели считали их похожими на планеты Уран и Нептун. Существует несколько планетарных туманностей, которые можно увидеть в любительский телескоп. Примерно в половине из них в центре можно увидеть белый карлик, при использовании телескопа достаточно скромного размера.
Планетарная туманность является признаком перехода звезды средней массы из стадии красного гиганта в стадию белого карлика. Звезды, сравнимые по массе с нашим Солнцем, превратятся в белые карлики примерно за 75000 лет, постепенно сбрасываю свои оболочки. В конце концов, они, как и наше Солнце, будут постепенно охлаждаться и превратятся в черные глыбы углерода, это процесс займет примерно 10 миллиардов лет.
Наблюдения белых карликов
Существует несколько способов наблюдать белые карлики. Первый открытый белый карлик – звезда компаньон Сириуса, яркой звезды в созвездии большого пса. В 1844 году астроном Фридрих Бессель заметил у Сириуса слабые поступательные и попятные движения, как если бы вокруг него вращался невидимый объект. В 1863 оптики и конструктор телескопов Элван Кларк обнаружил этот таинственный объект. Звезда-компаньон была позже отождествлена с белым карликом. В настоящее время эта пара известна как Сириус А и Сириус B, где В – белый карлик. Орбитальный период этой системы 50 лет.
Стрелка указывает на белый карлик, Сириус B, рядом с большим Сириусом А. Ссылка:McDonald Observatory,NASA/SAO/CXC)
Поскольку белые карлики очень малы и, поэтому труднообнаружимы, двойные системы – один из способов их обнаружить. Как и в случае Сириуса, если звезда имеет необъяснимое движение определенного вида, можно обнаружить, что одиночная звезда на самом деле является кратной системой. При более подробном изучении можно определить, является ли звезда-компаньон белым карликом. Космический телескоп Хаббла с 2.4-метровым зеркалом и улучшенной оптикой успешно наблюдал белые карлики с помощью широкоугольной планетарной камеры. В августе 1995 с помощью этой камеры были проведены наблюдения более 75 белых карликов в шаровом скоплении M4 в созвездии Скорпиона. Эти белые карлики были настолько слабы, что самые яркие из них светили не ярче, чем лампочка 100 Вт находящаяся на расстоянии Луны. М4 находится на расстоянии 7000 световых лет от нас и является ближайшим к нам шаровым скоплением. Его возраст примерно 14 миллиардов лет, вот почему большая часть звезд этого скопления находится в завершающей стадии свой жизни.
Белые карлики - проэволюционировавшие звёзды с массой, не превышающей предел Чандрасекара (максимальная масса, при которой звезда может существовать как белый карлик), лишённые собственных источников термоядерной энергии. Белые карлики представляют собой компактные звёзды с массами, сравнимыми или большими, чем масса Солнца, но с радиусами в 100 раз меньшими и, соответственно, болометрическими светимостями в ~10 000 раз меньшими солнечной. Средняя плотность вещества белых карликов в пределах их фотосфер 105-109 г/см 3 , что почти в миллион раз выше плотности звёзд главной последовательности. По распространённости белые карлики составляют, по разным оценкам, 3-10 % звёздного населения нашей Галактики. Неопределённость оценки обусловлена трудностью наблюдения удалённых белых карликов из-за их малой светимости.
Белые карлики представляют собой конечную стадию эволюции небольшой звезды с массой, сравнимой с массой Солнца. 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 . 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.
Первым открытым белым карликом стала звезда 40 Эридана B в тройной системе 40 Эридана, которую ещё в 1785 году Вильям Гершель включил в каталог двойных звёзд. В 1910 году Генри Норрис Расселл обратил внимание на аномально низкую светимость 40 Эридана B при её высокой цветовой температуре, что и послужило впоследствии выделению подобных звёзд в отдельный класс белых карликов.
Вторым открытым белым карликом стал Сириус Б — ярчайшая звезда земного неба. 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.
Третьим открытым белым карликом стал Процион B. В 1844 году директор Кёнигсбергской обсерватории Фридрих Бессель, анализируя данные наблюдений, обнаружил, что Процион периодически, хотя и весьма слабо, отклоняется от прямолинейной траектории движения по небесной сфере. Бессель пришёл к выводу, что у Проциона должен быть близкий спутник. Слабый спутник оставался ненаблюдаемым, а его масса должна была быть достаточно велика - сравнимой с массой Сириуса и Проциона, соответственно. В 1896 году американский астроном Д. М. Шеберле открыл Процион B, подтвердив тем самым предсказание Бесселя.
Происхождение белых карликов
В объяснении генезиса белых карликов ключевую роль сыграли две идеи: мысль астронома Эрнста Эпика, что красные гиганты образуются из звёзд главной последовательности в результате выгорания ядерного горючего, и предположение астронома Василия Фесенкова, сделанное вскоре после Второй мировой войны, что звёзды главной последовательности должны терять массу, и такая потеря массы должна оказывать существенное влияние на . Эти предположения полностью подтвердились.
Белые карлики состоят из углерода и кислорода с небольшими добавками водорода и гелия, однако у массивных сильно проэволюционировавших звезд ядро может состоять из кислорода, неона или магния. В процессе эволюции звёзд главной последовательности происходит «выгорание» водорода - нуклеосинтез с образованием гелия. Такое выгорание приводит к прекращению энерговыделения в центральных частях звезды, сжатию и, соответственно, к повышению температуры и плотности в её ядре. Рост температуры и плотности в звёздном ядре ведёт к условиям, в которых активируется новый источник термоядерной энергии: выгорание гелия (тройная гелиевая реакция или тройной альфа-процесс), характерный для красных гигантов и сверхгигантов.
Белые карлики имееют чрезвычайно высокую плотность(106 г/cм 3). Белый карлик находится в состоянии гравитационного равновесия и его давление определяется давлением вырожденного электронного газа. Поверхностные температуры белого карлика высокие — от 100,000 К до 200,000 К. Массы белых карликов близки к Солнечной. Для белых карликов существует зависимость «масса-радиус», причем чем больше масса, тем меньше радиус. Радиусы большинства белых карликов сравнимы с радиусом Земли.
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 « », - конечный результат эволюции, хотя в современной литературе этот термин используется все реже.
Белые карлики - распространенный тип звезд с малой светимостью и огромной массой. В нашей галактике они составляют несколько процентов от общего числа звезд. Это компактные объекты, размером примерно с . Температура внутри них невысока, так что ядерные реакции не протекают. Запасенная энергия постепенно уменьшается за счет излучения электромагнитных волн. Температура поверхности белых карликов колеблется в пределах от 5 000° K у старых, «холодных» звезд до 50 000° K у молодых и «горячих».
Массы белых карликов не превосходят 1,4 массы Солнца, хотя плотность вполне приличная - 1 000 000 - 100 000 000 г/см³
Белые карлики относятся к объектам, находящимся в последней стадии эволюции. Плотность вещества белых карликов больше плотности обычных звёзд в миллион раз, а распространённость их среди звёзд – 3 – 10%. Также белые карлики от звезд отличаются тем,что в их недрах не идут термоядерные реакции.
Когда на закончится весь гелий (через 100 – 110 млн. лет), оно превратится в белый карлик.
Молодые белые карлики имеют температуру больше 2 . 10 5 °К на поверхности. Классический пример – снимки самой яркой звезды нашего неба, Сириуса.
Их удалось получить при помощи рентгеновского телескопа «Чандра». В оптике Сириус А в 10 000 раз ярче своего напарника, Сириуса В, но в рентгеновском диапазоне белый карлик имеет бо льшую яркость.
Из чего состоят
Белые карлики не так просты и скучны, как это может показаться на первый взгляд. Действительно, если ядерные реакции не идут и температура невысока, то откуда берется высокое давление, сдерживающее гравитационное сжатие вещества? Оказывается, что решающую роль играют квантовые свойства электронов. Под действием гравитации вещество сжимается настолько, что ядра атомов проникают внутрь электронных оболочек соседних атомов. Электроны уже не принадлежат конкретным ядрам, а вольны летать по всему пространству внутри звезды. Ядра же образуют плотно связанную систему наподобие кристаллической решетки. Далее происходит самое интересное. Хотя в результате излучения в окружающее пространство белый карлик остывает, средняя скорость электронов не уменьшается. Это связано с тем, что, согласно законам квантовой механики, два электрона, имея полуцелый спин, не могут находиться в одном состоянии (принцип Паули). Значит, число различных состояний электронов белого карлика не может быть меньше числа электронов. Но понятно, что число состояний уменьшается с уменьшением скоростей электронов. В предельном случае, если бы скорость всех электронов стала равной нулю, все они оказались бы в одном состоянии (точнее - в двух, с учетом проекции спина). Поскольку электронов в белом карлике много, то и состояний должно быть много, а это обеспечивается сохранением их скоростей. Ну а большие скорости частиц создают большое давление, противодействующее гравитационному сжатию. Конечно, если масса объекта слишком велика, гравитация преодолеет и этот барьер.
Эволюция
Большинство белых карликов являются одним из последних этапов эволюции нормальных, не очень массивных звезд. Звезда, исчерпав запасы ядерного горючего, переходит в стадию красного гиганта, теряет часть вещества, превращаясь в белый карлик. При этом наружная оболочка - нагретый газ - разлетается в космическом пространстве и с Земли она наблюдается как . За сотни тысяч лет такие туманности рассеиваются в пространстве, а их плотные ядра, белые карлики, постепенно остывают аналогично раскалённому куску металла, но очень медленно, поскольку его поверхность мала. Со временем они должны превратиться в коричневые (черные) карлики - сгустки материи с температурой окружающей среды. Правда, как показывают расчеты, на это может потребоваться множество миллиардов лет.
Очевидно, что открытие коричневых карликов затруднено их слабой светимостью. Один из коричневых карликов находится в созвездии Гидры. Его блеск составляет лишь 22,3. Уникальность открытия заключается в том, что ранее обнаруженные коричневые карлики входили в двойные системы, именно поэтому их и могли обнаружить, а этот - одиночный. Его нашли только благодаря близости к Земле: до него всего 33 световых года.
Предполагается, что нынешние коричневые карлики - это не остывшие белые (слишком мало времени прошло), а «недоразвившиеся» звезды. Как известно, звезды рождаются из газопылевого облака, причем одно облако порождает несколько звезд разной массы. Если сжимающийся сгусток газа имеет массу в 10-100 раз меньше солнечной, образуются коричневые карлики. Они довольно сильно разогреваются силами гравитационного сжатия и излучают в инфракрасном диапазоне. Ядерные реакции в коричневых карликах не происходят.
Открытие
К началу 30-х гг. XX в. в общих чертах сложилась теория внутреннего строения звезд. Задавая массу звезды и ее химический состав, теоретики могли рассчитать все наблюдаемые характеристики звезды - ее светимость, радиус, температуру поверхности и т. д. Однако эту стройную картину нарушала невзрачная звездочка 40 Эридана В , открытая английским астрономом Вильямом Гершелем в 1783 г. Для своей высокой температуры она имела слишком небольшую светимость, а следовательно, слишком малые размеры. С точки зрения классической физики это не поддавалось объяснению. Спустя некоторое время были найдены и другие необычные звезды. Самым знаменитым из этих открытий стало открытие Сириуса В - невидимого спутника самой яркой звезды - Сириуса. Астроном Фридрих Вильгельм Бессель (немецкий математик и астроном), наблюдая за Сириусом, обнаружил, что он движется не по прямой, а «слегка по синусоиде». Примерно десять лет наблюдений и размышлений привели Бесселя к выводу, что рядом с Сириусом находится вторая звезда, оказывающая на него гравитационное воздействие.
Предсказание Бесселя подтвердились после того, как А. Кларк в 1862 г. сконструировал телескоп с объективом диаметром 46 см, на тот момент самый большой телескоп в мире. Для проверки качества линзы его направили на Сириус - самую яркую звезду. В поле зрения телескопа появилась еще одна звезда, неяркая, которую и предсказывал Бессель.
Температура Сириуса В оказалась равной 25 000 К - в 2,5 раза выше, чем у яркого Сириуса А. С учетом размеров звезды это указывало на чрезвычайно высокую плотность ее вещества - 106г/см³. Наперсток такого вещества весил бы на Земле миллион тонн.
Как оказалось, белые карлики - это звездные «огарки», ведущие свое происхождение от обычных звезд. Равновесие обычных звезд поддерживается силой давления раскаленной плазмы, которая противостоит силе гравитации (тяготения). Чтобы равновесие сохранялось, необходимы внутренние источники энергии, иначе звезда, теряя энергию на излучение потоков света в окружающее пространство, не выдержала бы противоборства с силами. Таким внутренним источником служат термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Как только в центральных областях звезды «выгорает» весь водород, равновесие нарушается и звезда начинает сжиматься под действием собственной тяжести. Типичная плотность окружающих нас предметов составляет несколько граммов на 1 см³ (примерно такова характерная плотность атома). Такую же среднюю плотность имеют звезды типа нашего Солнца. Однако, если обычную звезду сжать в 100 раз, атомы «вожмутся» друг в друга и звезда превратится в один гигантский атом, в котором энергетические уровни отдельных атомов «сцепятся» воедино. При таких плотностях электроны образуют так называемый вырожденный электронный газ - особое квантовое состояние, при котором все электроны белого карлика «чувствуют» друг друга и образуют единый коллектив - именно он и противостоит гравитационному сжатию. Так звезда превращается в плотное ядро - белый карлик.
Белый карлик - звезда, в нашем космосе довольно распространенная. Ученые называют ее результатом эволюции звезд, финальным этапом развития. Всего есть два сценария видоизменения звездного тела, в одном случае завершающий этап - нейтронная звезда, в другом - черная дыра. Карлики - это окончательный эволюционный шаг. Вокруг них есть планетарные системы. Ученые смогли определить это, изучив обогащенные металлами экземпляры.
История вопроса
Белые карлики - звезды, привлекшие внимание астрономов в 1919. Впервые удалось открыть такое небесное тело ученому из Нидерландов Маанену. Для своего времени специалист сделал довольно нетипичное и неожиданное открытие. Увиденный им карлик был похож на звезду, но имел нестандартные маленькие размеры. Спектр, однако, был таков, словно бы это массивное и большое небесное тело.
Причины такого странного явления привлекали ученых довольно долгое время, поэтому было приложено немало усилий для изучения строения белых карликов. Прорыв совершился, когда высказали и доказали предположение обилия в атмосфере небесного тела разнообразных металлических структур.
Необходимо уточнить, что металлы в астрофизике - это всевозможные элементы, молекулы которых тяжелее водородных, гелиевых, а химический состав их более прогрессивен, нежели эти два соединения. Гелий, водород, как удалось установить ученым, в нашей вселенной распространены шире, нежели любые другие вещества. Отталкиваясь от этого, было решено все прочее обозначать металлами.
Развитие темы
Хотя впервые сильно отличающиеся размерами от Солнца белые карлики были замечены в двадцатых годах, только через половину века люди выявили, что наличие металлических структур в звездной атмосфере не является типичным явлением. Как выяснилось, при включении в атмосферу помимо двух самых распространенных веществ более тяжелых происходит их смещение в глубокие слои. Тяжелые вещества, оказавшись среди молекул гелия, водорода, со временем должны переместиться в ядро звезды.
Причин такого процесса удалось обнаружить несколько. Радиус белого карлика мал, такие звездные тела очень компактные - не зря они получили свое название. В среднем радиус сравним с земным, в то время как вес сходен с весом звезды, освещающей нашу планетарную систему. Такое соотношение габаритов и веса становится причиной исключительно большого гравитационного поверхностного ускорения. Следовательно, оседание тяжелых металлов в водородной и гелиевой атмосфере происходит всего лишь за несколько земных дней после попадания молекулы в общую газовую массу.
Возможности и продолжительность
Иногда характеристики белых карликов таковы, что процесс оседания молекул тяжелых веществ может затянуться надолго. Наиболее благоприятные варианты, с точки зрения наблюдателя с Земли, - это процессы, на которые уходят миллионы, десятки миллионов лет. И все же такие временные промежутки исключительно малы в сравнении с продолжительностью существования самого звездного тела.
Эволюция белого карлика такова, что большая часть наблюдаемых человеком в настоящий момент формирований уже насчитывает несколько сотен миллионов земных лет. Если сравнить это с самым медленным процессом поглощения металлов ядром, разница получается более чем существенная. Следовательно, выявление металла в атмосфере определенной наблюдаемой звезды позволяет с уверенностью заключить, что изначально тело не имело такого состава атмосферы, иначе все металлические включения давно пропали бы.
Теория и практика
Описанные выше наблюдения, а также собранная за долгие десятилетия информация о белых карликах, нейтронных звездах, черных дырах позволила предположить, что атмосфера получает металлические включения из внешних источников. Ученые сперва решили, что таковой является среда между звездами. Небесное тело перемещается сквозь такое вещество, аккрецирует среду на свою поверхность, тем самым обогащая атмосферу тяжелыми элементами. Но дальнейшие наблюдения показали, что такая теория несостоятельна. Как уточнили специалисты, если бы изменение атмосферы происходило именно таким путем, преимущественно карлик извне получал бы водород, так как среда между звездами сформирована в своей основной массе именно водородными и гелиевыми молекулами. Лишь малый процент среды приходится на долю тяжелых соединений.
Если бы сформированная из первичных наблюдений за белыми карликами, нейтронными звездами, черными дырами теория оправдала бы себя, карлики состояли бы из водорода как самого легкого элемента. Это не допускало бы существования даже гелиевых небесных тел, ведь гелий тяжелее, а значит, водородная аккреция полностью скрыла бы его от глаза внешнего наблюдателя. Исходя из наличия гелиевых карликов, ученые пришли к выводу, что межзвездная среда не может служить единственным и даже основным источником металлов в атмосфере звездных тел.
Как объяснить?
Ученые, занимавшиеся в 70-х годах прошлого столетия черными дырами, белыми карликами, предположили, что металлические включения могут объясняться падением комет на поверхность небесного тела. Правда, в свое время такие идеи были признаны слишком экзотичными и поддержки не получили. Во многом это объяснялось тем, что люди еще не знали о наличии иных планетных систем - известна была только наша «домашняя» Солнечная.
Существенный шаг вперед в исследовании черных дыр, белых карликов был сделан в конце следующего, восьмого десятилетия прошлого века. Ученые получили в свое распоряжение особенно мощные инфракрасные приборы для наблюдения за глубинами космоса, что позволило вокруг одного из известных астрономам белого карлика обнаружить инфракрасное излучение. Таковое было выявлено именно вокруг карлика, атмосфера которого содержала металлические включения.
Инфракрасное излучение, позволившее оценить температуру белого карлика, также сообщило ученым, что звездное тело окружено некоторым веществом, способным поглощать звездное излучение. Это вещество нагрето до конкретного температурного уровня, меньшего присущего звезде. Это позволяет постепенно перенаправлять поглощенную энергию. Излучение происходит в инфракрасном диапазоне.
Наука движется вперед
Спектры белого карлика стали объектом изучения передовых умов мира астрономов. Как оказалось, из них можно получить довольно объемную информацию об особенностях небесных тел. Особенно интересными были наблюдения за звездными телами с избыточным инфракрасным излучением. В настоящее время удалось выявить около трех десятков систем такого типа. Основной их процент изучался посредством мощнейшего телескопа «Спитцер».
Ученые, наблюдая за небесными телами, установили, что плотность белых карликов существенно меньше этого параметра, свойственного гигантам. Также было выявлено, что избыточное инфракрасное излучение объясняется наличием дисков, сформированных специфическим веществом, способным поглощать энергетическое излучение. Именно оно затем излучает энергию, но уже в ином диапазоне волн.
Диски расположены исключительно близко и в некоторой степени влияют на массу белых карликов (которая не может превышать предела Чандрасекара). Внешний радиус получил название обломочного диска. Было высказано предположение, что таковой сформировался при разрушении некоторого тела. В среднем радиус по размеру сравним с Солнцем.
Если обратить внимание на нашу планетарную систему, станет ясно, что относительно недалеко от «дома» мы может наблюдать сходный пример - это окружающие Сатурн кольца, размер которых также сравним с радиусом нашего светила. Со временем ученые установили, что эта особенность - не единственная из тех, что роднит карлики и Сатурн. К примеру, и планета, и звезды обладают очень тонкими дисками, которым несвойственна прозрачность при попытке просвечивания светом.
Выводы и развитие теории
Поскольку кольца белых карликов сравнимы с теми, что окружают Сатурн, стало возможным сформулировать новые теории, объясняющие наличие металлов в атмосфере этих звезд. Астрономам известно, что вокруг Сатурна кольца сформированы приливным разрушением некоторых тел, оказавшихся достаточно близко от планеты, чтобы на них повлияло ее гравитационное поле. В такой ситуации внешнее тело не может сохранять собственную гравитацию, что приводит к нарушению целостности.
Около пятнадцати лет назад была представлена новая теория, объяснившая образование колец белых карликов сходным образом. Предположили, что первоначально карлик представлял собой звезду в центре системы планет. Небесное тело с течением времени эволюционирует, на что уходят миллиарды лет, разбухает, теряет оболочку, и это становится причиной формирования карлика, постепенно остывающего. Кстати говоря, цвет белых карликов объясняется именно их температурой. У некоторых она оценивается в 200 000 К.
Система планет в ходе такой эволюции может выжить, что приводит к расширению внешней части системы одновременно с уменьшением массы звезды. В результате формируется крупная система астероиды и многие другие элементы выживают при эволюции.
Что дальше?
Прогресс системы может привести к ее нестабильности. Это приводит к бомбардировке камнями окружающего планеты пространства, и астероиды частично вылетают из системы. Некоторые из них, однако, перемещаются на орбиты, рано или поздно оказываясь в пределах солнечного радиуса карлика. Столкновения не происходит, но приливные силы приводят к нарушению целостности тела. Скопление таких астероидов приобретает форму, сходную с окружающими Сатурн кольцами. Тем самым вокруг звезды формируется диск обломков. Существенно отличается плотность белого карлика (порядка 10^7 г/см3) и его обломочного диска.
Описанная теория стала достаточно полным и логичным объяснением ряда астрономических явлений. Посредством нее можно понять, почему диски компактны, ведь звезда не может все время своего существования окружаться диском, радиус которого сравним с солнечным, иначе первое время такие диски были бы внутри ее тела.
Объяснив формирование дисков и их размер, можно понять, откуда берется своеобразный запас металлов. Он может оказаться на звездной поверхности, загрязнив карлик металлическими молекулами. Описанная теория, не противореча выявленным показателям средней плотности белых карликов (порядка 10^7 г/см3), доказывает, по какой причине металлы наблюдаются в атмосфере звезд, почему измерение химического состава возможно доступными человеку средствами и по какой причине распределение элементов сходно с тем, что свойственно нашей планете и другим изученным объектам.
Теории: а есть ли польза?
Описанная идея получила широкое распространение как база для объяснения, по какой причине оболочки звезд загрязнены металлами, почему появились обломочные диски. Кроме того, из нее вытекает, что вокруг карлика существует планетная система. Удивительного в таком выводе мало, ведь человечество установило, что большая часть звезд имеет собственные системы планет. Это свойственно как тем, что сходны с Солнцем, так и тем, что значительно больше его габаритами - а именно из них и формируются белые карлики.
Темы не исчерпаны
Даже если считать описанную выше теорию общепринятой и доказанной, некоторые вопросы для астрономов и по сей день остаются открытыми. Особенный интерес вызывает специфика переноса вещества между дисками и поверхностью небесного тела. Как предполагают некоторые, это объясняется радиационным излучением. Теории, призывающие таким образом описать перенос вещества, основаны на эффекте Пойнтинга-Робертсона. Это явление, под влиянием которого частицы медленно перемещаются по орбите вокруг молодой звезды, постепенно спирально смещаясь к центру и пропадая в небесном теле. Предположительно, этот эффект должен проявляться на обломочных дисках, окружающих звезды, то есть молекулы, которые присутствуют в дисках, рано или поздно оказываются в исключительной близости от карлика. Твердые вещества подвержены испарению, формируется газ - таковой в виде дисков был зафиксирован вокруг нескольких наблюдаемых карликов. Рано или поздно газ доходит до поверхности карлика, перенося сюда металлы.
Выявленные факты оцениваются астрономами как существенный вклад в науку, поскольку позволяют предположить, как сформированы планеты. Это важно, так как объекты для исследований, привлекающие специалистов, зачастую недоступны. К примеру, планеты, вращающиеся вокруг превышающих Солнце габаритами звезд, крайне редко можно изучить - это слишком сложно на том техническом уровне, который доступен нашей цивилизацией. Вместо этого, люди получили возможность изучения систем планет после превращения звезд в карлики. Если удастся развиваться в этом направлении, наверняка можно будет выявить новые данные о наличии систем планет и их отличительных характеристиках.
Белые карлики, в атмосфере которых выявлены металлы, позволяют составить представление о химическом составе комет и иных космических тел. Фактически иного способа для оценки состава у ученых просто нет. К примеру, изучая планеты-гиганты, можно составить представление только о внешнем слое, но нет никакой достоверной информации о внутреннем содержании. Это касается и нашей «домашней» системы, поскольку химический состав можно изучить лишь у того небесного тела, которое упало на поверхность Земли либо того, куда удалось приземлить аппарат для исследований.
Как все происходит?
Рано или поздно наша планетарная система также станет «домом» белого карлика. Как говорят ученые, звездное ядро располагает ограниченным объемом вещества для получения энергии, и рано или поздно термоядерные реакции исчерпываются. Газ уменьшается в объемах, плотность повышается до тонны на кубический сантиметр, в то время как во внешних слоях реакция по-прежнему протекает. Звезда расширяется, становится красным гигантом, радиус которого сравним с сотнями звезд, равных Солнцу. Когда внешняя оболочка прекращает «горение», в течение 100 000 лет происходит рассеивание вещества в пространстве, что сопровождается формированием туманности.
Ядро звезды, освободившись от оболочки, понижает температуру, что и приводит к формированию белого карлика. Фактически такая звезда - это высокоплотный газ. В науке карлики нередко именуют вырожденными небесными телами. Если бы наше светило сжалось и его радиус насчитывал бы лишь несколько тысяч километров, но вес бы полностью сохранился, то здесь также имел бы место белый карлик.
Особенности и технические моменты
Рассматриваемый тип космического тела способен светиться, но этот процесс объясняется иными механизмами, отличными от термоядерных реакций. Свечение называют остаточным, оно объясняется понижением температуры. Карлик сформирован веществом, ионы которого иногда холоднее 15000 К. Элементам характерны колебательные движения. Постепенно небесное тело становится кристаллическим, его свечение ослабевает, и карлик эволюционирует в коричневый.
Ученые выявили предел массы для такого небесного тела - до 1,4 веса Солнца, но не больше этой границы. Если масса превышает этот предел, звезда существовать не может. Это объясняется давлением вещества, находящегося в сжатом состоянии - оно меньше гравитационного притяжения, сжимающего вещество. Происходит очень сильное сжатие, которое приводит к появлению нейтронов, вещество нейтронизируется.
Процесс сжатия может привести к вырождению. В этом случае формируется нейтронная звезда. Второй вариант - продолжение сжатия, рано или поздно приводящее к взрыву.
Общие параметры и особенности
Болометрическая светимость рассматриваемой категории небесных тел относительно свойственной Солнцу меньше приблизительно в десять тысяч раз. Радиус карлика меньше солнечного в сто раз, в то время как вес сравним со свойственным основной звезде нашей системы планет. Для определения границы массы для карлика был рассчитан предел Чандрасекара. При его превышении карлик эволюционирует в другую форму небесного тела. Фотосфера звезды в среднем состоит из плотного вещества, оцененного в 105-109 г/см3. В сравнении с главной звездной последовательностью это плотнее приблизительно в миллион раз.
Некоторые астрономы считают, что лишь 3% всех звезд в галактике - это белые карлики, а некоторые убеждены, что к такому классу принадлежит каждая десятая. Оценки столь сильно разнятся о причине сложности наблюдения за небесными телами - они удалены от нашей планеты и слишком слабо светятся.
Истории и имена
В 1785 в списке двойных звезд появилось тело, наблюдениями за которым занимался Гершель. Звезду назвали 40 Эридана B. Именно она считается первой увиденной человеком из категории белых карликов. В 1910 Расселл заметил, что этому небесному телу свойственен крайне низкий уровень свечения, хотя цветовая температура довольно высокая. Со временем было решено, что небесные тела такого класса необходимо выделять в отдельную категорию.
В 1844 Бессель, исследуя информацию, полученную при слежении за Проционом В, Сириусом В, решил, что обе они время от времени смещаются с прямой линии, а значит, там есть близкие спутники. Такое предположение научному сообществу показалось маловероятным, так как не удалось увидеть никакого спутника, в то время как отклонения могли бы объясниться только небесным телом, масса которого исключительно велика (аналогична Сириусу, Проциону).
В 1962 Кларк, работая с наиболее крупным телескопом из существовавших в тот момент, выявил вблизи Сириуса очень тусклое небесное тело. Именно его и назвали Сириусом В, тем самым спутником, который задолго до этого предположил Бессель. В 1896 исследования показали, что Процион также имеет спутника - он получил название Процион В. Следовательно, идеи Бесселя полностью подтвердились.