Білі карлики: походження, будова та цікаві факти

Білий карлик – зірка, в нашому космосі досить поширена. Вчені називають її результатом еволюції зірок, фінальним етапом розвитку. Всього є два сценарії видозміни зоряного тіла, в одному випадку завершальний етап – нейтронна зірка, в іншому – чорна діра. Карлики – це остаточний еволюційний крок. Навколо них є планетарні системи. Вчені змогли визначити це, вивчивши збагачені металами екземпляри.

Історія питання

Білі карлики – зірки, що привернули увагу астрономів в 1919. Вперше вдалося відкрити таке небесне тіло вченому з Нідерландів Маанену. Для свого часу фахівець зробив досить нетипове і несподіване відкриття. Побачений їм карлик був схожий на зірку, але мав нестандартні маленькі розміри. Спектр, проте, був такий, немов би це масивне і велике небесне тіло.

Причини такого дивного явища приваблювали вчених досить довгий час, тому було докладено чимало зусиль для вивчення будови білих карликів. Прорив стався, коли висловили припущення і довели великої кількості в атмосфері небесного тіла різноманітних металевих структур.

Необхідно уточнити, що метали в астрофізиці – це всілякі елементи, молекули яких важче водневих, гелієвих, а хімічний склад їх більш прогресивний, ніж ці два з’єднання. Гелій, водень, як вченим вдалося встановити, в нашій всесвіту поширені ширше, ніж будь-які інші речовини. Відштовхуючись від цього, було вирішено все інше позначати металами.

Загрузка...

Розвиток теми

Хоча вперше сильно відрізняються розмірами від Сонця білі карлики були помічені в двадцятих роках, тільки через половину століття люди виявили, що наявність металевих структур в зоряній атмосфері не є типовим явищем. Як з’ясувалося, при включенні в атмосферу крім двох найпоширеніших речовин більш важких відбувається їх зсув в глибокі шари. Важкі речовини, опинившись серед молекул гелію, водню, з часом повинні переміститися в ядро зірки.

Причин такого процесу вдалося виявити кілька. Радіус білого карлика малий, такі зоряні тіла дуже компактні, не даремно вони отримали свою назву. У середньому радіус порівняємо з земним, в той час як вага схожий з вагою зірки, висвітлює нашу планетарну систему. Таке співвідношення габаритів і ваги стає причиною виключно великого гравітаційного прискорення поверхневого. Отже, осідання важких металів у водневій і гелієвої атмосфері відбувається лише за кілька земних днів після попадання молекули в загальну газову масу.

Можливості та тривалість

Іноді характеристики білих карликів такі, що процес осідання молекул важких речовин може затягнутися надовго. Найбільш сприятливі варіанти, з точки зору спостерігача з Землі, – це процеси, які йдуть мільйони, десятки мільйонів років. І все ж такі часові проміжки виключно малі в порівнянні з тривалістю існування самого зоряного тіла.

Еволюція білого карлика така, що велика частина спостережуваних людиною в даний момент формувань вже налічує кілька сотень мільйонів земних років. Якщо порівняти це з самим повільним процесом поглинання металів ядром, різниця виходить більш ніж істотна. Отже, виявлення металу в атмосфері певної спостерігається зірки дозволяє з упевненістю укласти, що спочатку тіло не мало такого складу атмосфери, інакше всі металеві включення давно пропали би.

Теорія і практика

Описані вище спостереження, а також зібрана за довгі десятиліття інформація про білих карликів, нейтронних зірок, чорних дірах дозволила припустити, що атмосфера отримує металеві включення із зовнішніх джерел. Вчені спершу вирішили, що такою є середовище між зірками. Небесне тіло переміщається крізь таку речовину, аккрецирует середу на свою поверхню, тим самим збагачуючи атмосферу важкими елементами. Але подальші спостереження показали, що така теорія не є переконливою. Як уточнили фахівці, якщо б зміна атмосфери відбувалося саме таким шляхом, переважно карлик ззовні отримував би водень, так як середовище між зірками сформована в своїй основній масі саме водневими та гелієвими молекулами. Лише малий відсоток середовища припадає на частку важких сполук.

Якщо б сформована з первинних спостережень за білими карликами, нейтронними зірками, чорними дірами теорія виправдала б себе, карлики складалися б з водню як найлегшого елемента. Це не допускало б існування навіть гелієвих небесних тіл, адже гелій важче, а значить, воднева аккреция повністю приховала його від очей зовнішнього спостерігача. Виходячи з наявності гелієвих карликів, вчені прийшли до висновку, що міжзоряне середовище не може служити єдиним і навіть основним джерелом металів в атмосфері зоряних тел.

Загрузка...

Як пояснити?

Вчені, які займалися в 70-х роках минулого століття чорними дірами, білими карликами, припустили, що металеві включення можуть пояснюватися падінням комет на поверхню небесного тіла. Правда, у свій час такі ідеї були визнані занадто екзотичними і підтримки не отримали. Багато в чому це пояснювалося тим, що люди ще не знали про наявність інших планетних систем – відома була тільки наша «домашня» Сонячна.

Істотний крок вперед у дослідженні чорних дір, білих карликів був зроблений в кінці наступного, восьмого десятиліття минулого століття. Вчені отримали в своє розпорядження особливо потужні інфрачервоні прилади для спостереження за глибинами космосу, що дозволило навколо одного з відомих астрономам білого карлика виявити інфрачервоне випромінювання. Таке було виявлено саме навколо карлика, атмосфера якого містила металеві включення.

Інфрачервоне випромінювання, що дозволило оцінити температуру білого карлика, також повідомило вченим, що зоряне тіло оточене деяким речовиною, здатним поглинати зоряне випромінювання. Це речовина підігрітий до конкретного температурного рівня, меншого властивого зірці. Це дозволяє поступово перенаправляти поглинену енергію. Випромінювання відбувається в інфрачервоному діапазоні.

Наука рухається вперед

Спектри білого карлика стали об’єктом вивчення передових умів світу астрономів. Як виявилося, з них можна отримати досить об’ємну інформацію про особливості небесних тел. Особливо цікавими були спостереження за зоряними тілами з надмірною інфрачервоним випромінюванням. В даний час вдалося виявити близько трьох десятків систем такого типу. Основний їх відсоток вивчався за допомогою потужного телескопа «Спітцер».

Вчені, спостерігаючи за небесними тілами, встановили, що щільність білих карликів істотно менше цього параметра, властивого гігантам. Також було виявлено, що надмірне інфрачервоне випромінювання пояснюється наявністю дисків, сформованих специфічною речовиною, здатним поглинати енергетичне випромінювання. Саме воно потім випромінює енергію, але вже в іншому діапазоні хвиль.

Диски розташовані виключно близько і в деякій мірі впливають на масу білих карликів (яка не може перевищувати межі Чандрасекара). Зовнішній радіус отримав назву уламкового диска. Було висловлено припущення, що такий сформувався при руйнуванні деякого тіла. У середньому радіус за розміром можна порівняти з Сонцем.

Якщо звернути увагу на нашу планетарну систему, стане ясно, що відносно недалеко від «дому» ми може спостерігати подібний приклад – це навколишні Сатурн кільця, розмір яких також порівняємо з радіусом нашого світила. Згодом вчені встановили, що ця особливість – не єдина з тих, що ріднить карлики і Сатурн. Приміром, і планета, і зірки мають дуже тонкими дисками, яким невластива прозорість при спробі просвічування світлом.

Висновки і розвиток теорії

Оскільки кільця білих карликів порівнянні з тими, що оточують Сатурн, стало можливим сформулювати нові теорії, що пояснюють наявність металів в атмосфері цих зірок. Астрономам відомо, що навколо Сатурна кільця сформовані приливним руйнуванням деяких тіл, які опинилися досить близько від планети, щоб на них вплинуло її гравітаційне поле. У такій ситуації зовнішнє тіло не може зберігати власну гравітацію, що призводить до порушення цілісності.

Близько п’ятнадцяти років тому була представлена нова теорія, пояснивши освіта кілець білих карликів подібним чином. Припустили, що спочатку карлик представляв собою зірку в центрі системи планет. Небесне тіло з часом еволюціонує, на що йдуть мільярди років, розбухає, втрачає оболонку, і це стає причиною формування карлика, поступово остигаючого. До речі кажучи, колір білих карликів пояснюється саме їх температурою. У деяких вона оцінюється в 200 000 К.

Система планет в ході такої еволюції може вижити, що призводить до розширення зовнішньої частини системи одночасно із зменшенням маси зірки. В результаті формується велика система планет. Планети, астероїди і багато інші елементи виживають при еволюції.

Що далі?

Прогрес системи може призвести до її нестабільності. Це призводить до бомбардування камінням навколишнього простору планети, астероїди частково вилітають з системи. Деякі з них, однак, переміщуються на орбіти, рано чи пізно опиняючись в межах сонячного радіуса карлика. Зіткнення не відбувається, але приливні сили призводять до порушення цілісності тіла. Скупчення таких астероїдів набуває форму, схожу з оточуючими Сатурн кільцями. Тим самим навколо зірки формується диск уламків. Істотно відрізняється щільність білого карлика (порядку 10^7 г/см3) і його уламкового диска.

Описана теорія стала досить повним і логічним поясненням ряду астрономічних явищ. За допомогою неї можна зрозуміти, чому диски компактні, адже зірка не може весь час свого існування оточувати диском, радіус якого можна порівняти з сонячним, інакше перший час такі диски були б всередині її тіла.

Пояснивши формування дисків та їх розмір, можна зрозуміти, звідки береться своєрідний запас металів. Він може виявитися на зоряній поверхні, забруднивши карлик металевими молекулами. Описана теорія, не суперечачи виявленими показниками середньої щільності білих карликів (порядку 10^7 г/см3), доводить, з якої причини метали спостерігаються в атмосфері зірок, чому вимірювання хімічного складу можливо доступними людині засобами і з якої причини розподіл елементів схоже з тим, що властиво нашій планеті та інших вивчених об’єктів.

Теорії: а чи є користь?

Описана ідея отримала широке розповсюдження як база для пояснення, з якої причини оболонки зірок забруднені металами, чому з’явилися уламкові диски. Крім того, з неї випливає, що навколо карлика існує планетна система. Дивного в такому виведення мало, адже людство встановило, що більша частина зірок має власні системи планет. Це властиво як тим, що схожі з Сонцем, так і тим, що значно більше його габаритами – а саме з них і формуються білі карлики.

Теми не вичерпані

Навіть якщо вважати описану вище теорію загальноприйнятою і доведеною, деякі питання для астрономів і донині залишаються відкритими. Особливий інтерес викликає специфіка перенесення речовини між дисками і поверхнею небесного тіла. Як припускають деякі, це пояснюється радіаційним випромінюванням. Теорії, що закликають таким чином описати перенесення речовини, засновані на ефекті Пойнтинга-Робертсона. Це явище, під впливом якого частинки повільно переміщуються по орбіті навколо молодої зірки, поступово спірально зміщуючись до центру, пропадаючи в небесному тілі. Ймовірно, цей ефект повинен проявлятися на уламкових дисках, оточуючих зірки, тобто молекули, які присутні в дисках, рано чи пізно опиняються в виняткової близькості від карлика. Тверді речовини схильні випаровуванню, формується газ – у вигляді дисків був зафіксований навколо декількох спостережуваних карликів. Рано чи пізно газ доходить до поверхні карлика, переносячи сюди метали.

Виявлені факти оцінюються астрономами як істотний внесок у науку, оскільки дозволяють припустити, як сформовані планети. Це важливо, так як об’єкти для досліджень, які залучають фахівців, найчастіше недоступні. Наприклад, планети, що обертаються навколо перевищують Сонце габаритами зірок, вкрай рідко можна вивчити – це занадто складно на те технічному рівні, який доступний нашою цивілізацією. Замість цього люди отримали можливість вивчення систем планет після перетворення зірок в карлики. Якщо вдасться розвиватися в цьому напрямку, напевно, можна виявити нові дані про наявність систем планет і їх відмітних характеристиках.

Білі карлики, в атмосфері яких виявлені метали, дозволяють скласти уявлення про хімічний склад комет та інших космічних тел. Фактично іншого способу для оцінки складу у вчених просто немає. Наприклад, вивчаючи планети-гіганти, можна скласти уявлення лише про зовнішньому шарі, але немає ніякої достовірної інформації про внутрішній зміст. Це стосується і нашої «домашньої» системи, оскільки хімічний склад можна вивчити лише в того небесного тіла, яке впало на поверхню Землі або того, куди вдалося приземлити апарат для досліджень.

Як все відбувається?

Рано чи пізно наша планетарна система також стане «домом» білого карлика. Як кажуть вчені, зоряне ядро має обмеженим об’ємом речовини для отримання енергії, і рано чи пізно термоядерні реакції вичерпуються. Газ зменшується в обсягах, щільність підвищується до тонни на кубічний сантиметр, в той час як в зовнішніх шарах реакція як і раніше протікає. Зірка розширюється, стає червоним гігантом, радіус якого можна порівняти з сотнями зірок, подібних до Сонця. Коли зовнішня оболонка припиняє «горіння», протягом 100 000 років відбувається розсіювання речовини в просторі, що супроводжується формуванням туманності.

Ядро зірки, звільнившись від оболонки, знижує температуру, що і призводить до формування білого карлика. Фактично така зірка – це високощільний газ. В науці карлики нерідко називають виродженими небесними тілами. Якщо б наше світило стислося і його радіус нараховував лише кілька тисяч кілометрів, але вага би повністю зберігся, то тут також мав би місце білий карлик.

Особливості та технічні моменти

Розглянутий тип космічного тіла здатний світитися, але цей процес пояснюється іншими механізмами, відмінними від термоядерних реакцій. Світіння називають залишковим, воно пояснюється зниженням температури. Карлик сформований речовиною, іони якого іноді холодніше 15000 К. Елементів характерні коливальні рухи. Поступово небесне тіло стає кристалічним, його світіння слабшає, і карлик еволюціонує в коричневий.

Вчені виявили межа маси для такого небесного тіла – до 1,4 ваги Сонця, але не більше цієї межі. Якщо маса перевищує цю межу, зірка існувати не може. Це пояснюється тиском речовини, що знаходиться в стислому стані – воно менше гравітаційного тяжіння, що стискає речовина. Відбувається дуже сильне стиснення, що приводить до появи нейтронів, речовина нейтронизируется.

Процес стиснення може призвести до виродження. У цьому випадку формується нейтронна зірка. Другий варіант – продовження стиснення, рано чи пізно приводить до вибуху.

Загальні параметри і особливості

Болометрическая світність розглянутої категорії небесних тіл відносно властивою Сонцю менше приблизно в десять тисяч разів. Радіус карлика менше сонячного у сто разів, у той час як вага порівняємо з властивим основний зірки планет нашої системи. Для визначення межі маси для карлика був розрахований межа Чандрасекара. При його перевищенні карлик еволюціонує в іншу форму небесного тіла. Фотосфера зірки в середньому складається з щільного речовини, оціненого в 105-109 г/см3. У порівнянні з головною зоряної послідовністю це щільніше приблизно в мільйон разів.

Деякі астрономи вважають, що лише 3% всіх зірок в галактиці – це білі карлики, а деякі переконані, що до такого класу належить кожна десята. Оцінки настільки сильно різняться про причини складності спостереження за небесними тілами – вони віддалені від нашої планети і дуже слабо світяться.

Історії та імена

У 1785 В списку подвійних зірок з’явилося тіло, спостереженнями за яким займався Гершель. Зірку назвали 40 Ерідана B. Саме вона вважається першої побаченої людиною з категорії білих карликів. У 1910 Расселл зауважив, що цьому небесному тілу властивий вкрай низький рівень світіння, хоча колірна температура досить висока. Згодом було вирішено, що небесні тіла такого класу необхідно виділяти в окрему категорію.

У 1844 Бессель, досліджуючи інформацію, отриману при стеженні за Проционом, Сіріусом, вирішив, що обидві вони час від часу зміщуються з прямої лінії, а значить, там є близькі супутники. Таке припущення науковому співтовариству здалося малоймовірним, так як не вдалося побачити жодного супутника, в той час як відхилення могли б порозумітися тільки небесним тілом, маса якого виключно велика (аналогічна Сиріусу, Проциону).

У 1962 Кларк, працюючи з найбільшим телескопом з існуючих в той момент, виявив поблизу Сіріуса дуже тьмяне небесне тіло. Саме його і назвали Сіріусом, тим самим супутником, який задовго до цього припустив Бессель. У 1896 дослідження показали, що Процион також має супутника – він отримав назву Процион Ст. Отже, ідеї Бесселя повністю підтвердилися.