астрономия что такое белый карлик

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.

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.

Источник

Белые карлики

Белые карлики – это компактных размеров звезды, состоящие из ядерно-электронной плазмы и обладающие массой, сравнимой или превышающей массу Солнца, при этом они имеют радиус в сотни раз меньше солнечного. У них отсутствуют собственные источники термоядерной энергии. После полного исчерпания запасов гелия и водорода они сбрасывают свои оболочки, под которыми остаются оголённые ядра, состоящие преимущественно из кислорода и углерода.

История открытия белых карликов

В 1844 году выдающимся немецким математиком и астрономом Фридрихом Бесселем во время наблюдения за Сириусом был зафиксирован факт незначительного отклонения звезды от прямого курса. Это натолкнуло его на мысль, что у Сириуса, может быть, массивная звезда-спутник. Его теория нашла подтверждение спустя 18 лет, когда американским конструктором телескопов и астрономом Альваном Грэхэмом Кларком была обнаружена неяркая звезда возле Сириуса, получившая в дальнейшем название Сириус Б. В 1896 году астрономом Джоном Шеберле был открыт Процион В, существование которого было предсказано Бесселем ещё в 1844 году. Само название «Белый карлик» предложил использовать Виллем Лейтен в 1922 году.

О происхождении белых карликов

Белые карлики – конечная стадия эволюции звёзд, обладающих малой массой (таких как Солнце). Учёные впервые приблизились к разгадке природы белых карликов после того, как в 1926 году появилось понятие о вырожденном газе. Английский астрофизик Ральф Говард Фаулер сумел объяснить особенности внутреннего строения белых карликов, однако не смог прояснить механизмы их происхождения. Эстонский астроном Эрнст Эпик выдвинул теорию о том, что образование красных гигантов из звёзд происходит благодаря выгоранию ядерного горючего. Один из основоположников астрофизики Василий Фесенков предположил, что у звёзд главной последовательности должна наблюдаться потеря массы, влияющая на процесс эволюции звёзд.

Сброс массы и оболочек

После выгорания водорода в центре звезды её ядро подвергается сильному сжатию, при этом внешний слой значительно расширяется. Данный процесс сопровождается общим потускнением светимости, способствующим превращению звёзды в пульсирующего красного гиганта, который сбрасывает оболочку из-за ослабленной связи с центральным горячим ядром, обладающим высокой плотностью. В дальнейшем эта оболочка трансформируется в расширяющуюся планетарную туманность. Ядро сжимается до крайне малого размера, не превышая при этом пределов Чандрасекара. Потеря оболочки обусловлена следующими факторами:

После довольно продолжительного периода, когда вещество спокойно истекает с поверхности красного гиганта, происходит сброс оболочки и обнажение ядра. Сброшенную оболочку можно наблюдать как планетарную туманность. Скорость расширения протопланетарной туманности составляет несколько десятков километров в секунду, и приближается ко второй космической (параболической) скорости. На сегодняшний день теория завершения эволюции красных гигантов, предложенная астрофизиком Иосифом Шкловским, является общепринятой и подкреплена множеством наблюдательных данных.

Процесс тройной гелиевой реакции и образования изотермических ядер красных гигантов

Процесс эволюции звёзд, составляющих главную последовательность, сопровождается «выгоранием» водорода – нуклеосинтезом, в результате которого образуется гелий. Из-за выгорания прекращается выделение энергии в центральной части звезды, происходит сжатие, повышается температура и плотность. Увеличение показателей плотности и температуры влечёт за собой активацию новых источников термоядерной энергии. Процесс выгорания гелия (тройной гелиевой реакции) характерен для сверхгигантов и красных гигантов.

Тройную гелиевую реакцию сопровождает меньшее выделение энергии, чем при цикле Бете. Когда гелий выгорает и источник энергии исчерпывается, велика вероятность более сложных реакций нуклеосинтеза, однако для них необходимы очень высокие температуры, при которых рассеиваются фотоны и образуются нейтрино-антинейтринные пары, беспрепятственно уносящие энергию за пределы ядра. Объёмное нейтринное охлаждение отличается огромной скоростью, значительно превышающей классическое фотонное поверхностное охлаждение и нелимитированной передачей энергии из недр звезды к нижнему пласту звёздной атмосферы.

Красные гиганты, масса которых является относительно невысокой и сопоставима с солнечной, обладают изотермическими ядрами, основной составляющей которых является гелий. Более массивные звёзды состоят из углерода. Плотность подобных изотермических ядер крайне высокая, в результате чего вырождается электронный газ. Согласно расчётам учёных, показатели плотности изотермического ядра сопоставимы с плотностью белых карликов. Соответственно, белые карлики являются ядрами красных гигантов.

Про развитие белых карликов

Белые карлики вступают на эволюционный путь в качестве оставшихся без оболочек вырожденных ядер красных гигантов, избавившихся от своих внешних покровов. Температура нижнего слоя звёздной атмосферы молодой планетарной туманности является чрезвычайно высокой. Указанные температурные условия делают подавляющую долю спектра состоящей из рентгеновского (мягкого) и ультрафиолетового (жёсткого) излучения. Белые карлики подразделяются в зависимости от излучаемого спектрального диапазона и его характеристик на такие категории:

Основания существования описанных различий на протяжении длительного времени оставались неясными. В 1984 году выдающийся американский астроном И. Ибен провёл научное исследование и выяснил почему белые карлики рождаются из красных гигантов, которые пульсируют. Одна из последних стадий эволюционного развития красных гигантов, вес которых не превышает 10 масс Солнца, сопровождается так называемым «выгоранием» ядер из гелия.

В результате образовывается вырожденное ядро, основу которого составляет carboneum (С) и другие, более массивные химические элементы. При этом невырожденные гелиевые слоевые источники окружают ядро. В них происходит тройная гелиевая реакция. Над ядрами находятся водородные слоевые источники с происходящим термоядерными циклическими углеродными реакциями (CN-цикл). Водородные источники, находящиеся снаружи, выступают в роли «создателей» гелия для слоевых гелиевых источников. Процесс горения helium (Не) в упомянутых источниках является температурно неустойчивым. Это также усложняется высокой скоростью превращения Не из Н (следует учесть также скорость выгорания гелия в этом случае). В результате Н накапливается и сжимается, после этого данный элемент быстро повышается скорость течения уже упомянутой тройной гелиевой реакции и развивается слоевая вспышка гелия.

Таким образом за очень короткий временной промежуток (порядка тридцати лет) гелиевый источник повышает свою светимость, и процесс горения этого элемента становится конвективным. Слоевые источники, состоящие из водорода, выталкиваются наружу, что приводит к их остыванию и завершению процесса водородного сгорания. Когда избыток Н выгорит, свечение гелиевых слоёв уменьшается, что приводит к сжиманию и новому возгоранию внешне расположенных слоёв водорода красного гиганта.

У больших звёзд (масса которых в восемь-десять раз превышает солнечную массу) в определённый период времени наблюдается «сжигание» элементов Не, Н и С, после чего они трансформируются в белые карлики с богатыми кислородом ядрами. Так как у этих звёзд нет своих термоядерных источников энергии, их излучение обусловлено внутренними тепловыми резервами. Белые карлики не показывают зависимость от соотношения массы и свечения, однако зависят от возраста/светимости. Первоначальные стадии остывания сопровождаются охлаждением нейтрино, которое имеет важнейшее значение.

О белых карликах, которые уже остыли

Через миллиарды лет белые карлики становятся чёрными, то есть звёздами, которые не излучают видимый свет. На текущий момент подобные небесные объекты во всей Вселенной отсутствуют, ведь возраст самых первых звёзд слишком мал: не более 13 млрд лет. Но при этом некоторые белые карлики уже успели остыть до температурной отметки менее 4000 К. Важная роль на завершающих этапах остывания чёрных карликов отводится гравитационному захвату и процессу, при котором происходит аннигиляция тёмной материи.

В случае отсутствия дополнительных источников энергии чёрные карлики становятся более тусклыми и охлаждаются до тех пор, пока их температура не сравняется с показателями фоновой температуры Вселенной. Энергия, извлекаемая в процессе аннигиляции тёмной материи, обеспечивает белым карликам дополнительное излучение энергии в течение длительного времени. Излучение чёрного карлика, обусловленное аннигиляцией тёмной материи, имеет приблизительно такие мощностные характеристики: около 10 15 Вт.

Несмотря на тот факт, что эта незначительная величина в 10 11 раз меньше солнечного излучения, благодаря данному механизму вскоре практически охладившиеся чёрные карлики будут вырабатывать достаточное количество энергии. Процесс выработки энергии прекратится только в случае нарушения целостности галактического гало. После уничтожения тёмной материи данное действие завершится, что приведёт к окончательному угасанию чёрного карлика.

Про связанные с белыми карликами астрономические феномены

Недавно появившиеся белые карлики имеют очень горячий внешний слой, температура которого из-за излучения стремительно падает. Увидеть их можно с помощью применения рентгена, в котором их свечение значительно выше аналогичных показателей звёзд главной последовательности. Для того чтобы наглядно убедиться в этом, стоит посмотреть на фотографии Сириуса, полученные из космической рентгеновской лаборатории, которая называется «Чандра». На фото Sirius В выглядит более ярким, чем Sirius А. Белые карлики имеют отличия по сравнению со всеми остальными звёздами, потому что у последних в рентгеновском излучении излучение обеспечивается благодаря верхнему слою, разогревшемуся до нескольких миллионов К. При этом фотосфера отличается довольно низкой температурой для того, чтобы испускать подобное излучение.

Звёзды из двойных систем, обладающие разными массами, отличаются различными эволюционными темпами. Более массивные элементы зачастую трансформируются в белые карлики, при этом менее тяжёлые располагаются там же, на основной последовательности. Если в ходе развития менее тяжёлая часть переходит на ветвь красных гигантов, звезда, которая эволюционирует, увеличивается до заполнения эквипотенциальной поверхности, содержащей первую точку Лагранжа L 1, то есть до своей полости Роша. Соприкосновение таких полостей в точке либрации ведёт к разным феноменам в сфере астрономии.

Интересные факты

Белым карликом, находящимся ближе всего к Солнцу, считается тусклая звезда Ван Маанена, которая находится в центре созвездия Рыб. Её открытие совершил ещё 1917 г. американский астроном Адриан Ван Маанен в результате сравнения созвездия Рыб в 1914 и 1917 гг. Если рассматривать белые карлики, расположенные в звёздных системах, то ближайшим считается Сириус Б, открытый в 1844 году знаменитым немецким математиком и астрономом Фридрихом Бесселем, наблюдавшим за отклонением от прямолинейной траектории движения Sirius.

Срок жизни белых карликов меняется из-за того, насколько медленно они остывают. На поверхности такой звезды может скопиться достаточное количество газа для превращения в сверхновую. Белые карлики живут миллиарды лет. Самый маленький из них обладает неблагозвучным названием GRW+708247 и находится в созвездии Дракона, самый большой – в созвездии Лисички в центре туманности Гантель (известна также как М27). Исходя из современных оценок, в галактике Млечный Путь находится не менее ста миллионов двойных звёзд, имеющих звание белых карликов.

Согласно прогнозам учёных, через несколько миллиардов лет Солнце увеличится в размерах и превратится в красного гиганта в результате сгорания водорода в его ядре. Затем начнётся процесс синтеза углерода и гелия, что сделает звезду крайне нестабильной и приведёт к образованию звёздного ветра. Синтез гелия повлечёт за собой расширение внешнего слоя, который оторвётся и сформирует туманность планеты. В результате от нашего светила не останется ничего, кроме ядра.

Источник