Что такое белый карлик в астрономии: что это такое, как образуются, свойства

что это такое, как образуются, свойства

Если вглядеться в угасающее сияние звезды, что относится к белым карликам, то можно увидеть, как в нем растворяются каменистые останки бывших планет. Астрономы уже наблюдали, как коллапсирующая звезда разрывает на части нечто гораздо более крупное, чем она сама.

Василий Макаров

Примерно так, по мнению художников и астрономов, белые карлики во Вселенной способны соседствовать с массивными планетами и оказывать на них воздействие

Маленький белый карлик. А ещё он тяжелый, злобный и экстремальный. Нет, речь идёт не о какой-то конкретной персоне, а о космическом объектах, имеющих общую характеристику, и именуемых в среде астрономов таким уничижительным прозвищем.

Следует учитывать, что размеры во Вселенной, имеют поистине космические значения, и то, что относиться к белым карликам, в наших земных представлениях о масштабе, является нечто гигантским.

Однако, градация наблюдается даже в данной астрономами характеристике, ведь существуют большие белые карлики и даже сверхгиганты. Давиды и Голиафы космоса сражаются друг с другом постоянно, но результаты их битв, не угрожают человечеству. Во всяком случае пока. Давайте разберёмся в этом поподробнее.

Какие объекты в космосе являются белыми карликами

Белые карлики — это конечный этап жизни звезды. Как только запас топлива истощается, эти космические светила разрушаются под действием собственной силы тяжести, вытесняя всю массу раскаленных газов в сферу размером с Землю.

Иными словами, если рассматривать стадии эволюции звёзд, то белый карлик – это в каком-то смысле умершая звезда, которая не прочь прихватить с собой и пару-тройку крупных планет, оказавшихся поблизости.

Этапы эволюции звёзд схожи с человеческими – это рождение, молодость, средний возраст, старость и смерть. Однако в зависимости от первоначальной массы, конечный этап ряда звёзд будет отличаться.

Процесс превращения звезды в белого карлика происходит когда в её центре выгорает весь водород, вследствие чего ядро звезды сжимается, при этом внешние слои сильно расширяются. Образуется гелий, который в дальнейшем воспроизводит углерод и кислород. И вот тут если первоначальная масса не позволяет поднять температуру ядра, для проведения дальнейших реакций, то в конечном итоге внешние слои становятся планетарной туманностью, а само ядро звезды, состоящее из углерода и кислорода, белым карликом.

Белый карлик – это несостоявшаяся нейтронная звезда, которой не хватило достаточной массы своего тела, чтобы пройти своеобразную космическую призывную комиссию для получения данного статуса. При этом средняя плотность белого карлика в миллион раз выше плотности обычных звёзд.

Это объясняется тем, что как правило радиус белого карлика равен земному, но вот масса такого «шарика» сравнима с массой Солнца.

Температура белого карлика так же зависит от его размеров и обычно достигает 200 000 К. Тела таких звезд остаются достаточно горячими, чтобы излучать тепло в течение сотен миллиардов лет. Это сияние может дать астрономам достаточно информации о химическом составе белого карлика. Нередко в них встречаются намеки на металлы – свидетельство каменистых планет, испаряющихся в жарком пламени умирающей звезды. Но что должно случиться для подобного поглощения?

Что происходит с белым карликом

Однако для того, чтобы это произошло, звездная система должна пребывать в некотором беспорядке. Планеты должны быть достаточно близко к белому карлику, что обычно указывает на «встряску», вызванную находящимся поблизости объектом с большой массой – например очень крупной планеты.

Дальнейшие приключения умирающей звезды весьма занимательны и, как нетрудно догадаться, по-прежнему зависят от её массы. Другие звёзды, которым повезло с массой чуть больше, и она превышает 1,44 массы Солнца, превращаются не в белый карлик, а в чёрную дыру или же нейтронную звезду, и их подвид – пульсары.

Во Вселенной встречаются и пульсирующие белые карлики, для которых характерны периодические изменения светимости до трети от нормы. И хотя обычные нейтронные звёзды-пульсары могут вращаться десятки раз в секунду, то белые карлики имеют куда больший по времени период вращения, вплоть до нескольких часов.

Однако, благодаря пульсациям и общей светимости, астросейсмологи могут понять плотность звезды типа белый карлик, а также её размер и массу. Они разделяют спектральные классы  белых карликов на две группы: «водородный» и более редкий «гелиевый». К первому типу относят звёзды в которых отсутствуют спектральные линии гелия, а ко второму – у которых нет линий водорода.

Тем не менее существует звездная система, совершенно непохожая на известные современной науке аналоги. Исследователи из Великобритании, Чили и Германии наблюдали за планетой, подобной Урану, находящейся на орбите так близко к белому карлику WD J0914 + 1914, что она буквально разлетелась на части под воздействием звезды.

В целом это первый обнаруженный белый карлик, вокруг которого обращается планета-гигант. При ближайшем рассмотрении в спектре звезды наблюдаются явные признаки кислорода с оттенками серы. Смесь воды и сероводорода позволяет предположить, что это газовая планета, похожая по составу на наших собственных колоссов (таких как Нептун и Уран), которая теряет свою атмосферу. Колебания соотношения водорода и кислорода были достаточно странными, что побудило исследователей использовать специальный инструмент в Очень Большом Телескопе Европейской Южной Обсерватории, называемый спектрографом X-Shooter.

Чтобы космический гигант испарился таким образом, он должен быть как можно ближе к белому карлику. По оценкам исследователей, расстояние составляло около 15 солнечных радиусов — или около 10 миллионов километров — с орбитой всего десять земных дней. Для сравнения, орбита Меркурия приближает его к нашему Солнцу на расстояние не менее 46 миллионов километров.

Даже с учетом того факта, что газовый гигант находится на орбите вокруг белого карлика, неясно, является ли он аномалией или нам просто неизвестны похожие примеры. Однако отметим, что при тщательной проверке примерно 7000 других белых карликов в банках данных SDSS не удалось найти ничего похожего на WD J0914 + 1914.

Белые карлики их вес, состав и строение

Сириус А и В

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

Содержание:

  • 1 История открытия
  • 2 Механизм образования
  • 3 Виды белых карликов
  • 4 Вырожденный газ
  • 5 Строение
  • 6 Материалы по теме
    • 6.1 Ядро
  • 7 Эволюция
    • 7.1 Положение на диаграмме Герцшпрунга-Рассела
  • 8 Спектральная классификация
  • 9 Интересные факты
  • 10 Материалы по теме
  • 11 Ответы на вопросы

История открытия

Видимое движение Сириуса по небесной сфере

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

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

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

Механизм образования

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

Процесс охлаждения белого карлика и кристаллизации его центральной части

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

Виды белых карликов

Некоторые белые карлики в шаровом скоплении NGC 6397, снимок Хаббла

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

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

Вырожденный газ

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

График зависимости радиуса белого карлика от его массы. Обратите внимание: ультрарелятивистский предел ферми-газа совпадает с пределом Чандрасекара

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

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

Строение

Строение

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

Материалы по теме

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

Ядро

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

Эволюция

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

Перетекание вещества со звезды на белый карлик, который из за низкой светимости не виден

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

Взрыв сверхновой в представлении художника

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

Остаток сверхновой SN 1006 — представляет собой взорвавшейся белый карлик, который находился в двойной системе. Он постепенно захватывал вещество звезды-компаньона и возрастающая масса спровоцировала термоядерный взрыв, который разорвал карлика

Положение на диаграмме Герцшпрунга-Рассела

Положение белых карликов на диаграмме Герцшпрунга-Рассела

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

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

Спектральная классификация

Множество Белых карликов в шаровом скоплении М4, снимок Хаббла

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

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

Интересные факты

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

    Звезда ван Маанена — самый близкий, одиночный белый карлик

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

    Сравнение размеров Сириуса В и Земли

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

    Туманность Гантель, также известная как M27

  3. Самый маленький белый карлик имеет неблагозвучное название GRW +70 8247 и находится примерно в 43 световых лет от Земли в созвездии Дракона. Его звездная величина около 13 и виден он только через большой телескоп.
  4. Срок жизни белого карлика зависит от того, как медленно он будет остывать. Иногда на его поверхности накапливается достаточно газа и он превращается в сверхновую типа Ia. Продолжительность жизни весьма велика – миллиарды лет, а точнее 10 в 19 степени и даже больше. Большая продолжительность жизни связана с тем, что они очень медленно остывают и у них есть все шансы дожить до конца Вселенной. А время остывания пропорционально четвертой степени температуры.

    Перетекание вещества со звезды на белый карлик, рисунок художника

  5. Среднестатистический белый карлик размеры имеет в 100 раз меньше чем наше Солнце, а при плотности 29000 кг/кубический сантиметр, вес 1 кубического см равняется 29 тоннам. Но стоит учитывать, плотность может варьировать в зависимости от размеров, от 10*5 до 10*9 г/см3.
  6. Наше Солнце в конечной стадии превратится в белый карлик. Как бы грустно это не звучало, но масса нашей звезды не позволяет ей превратиться в нейтронную звезду или черную дыру. Солнце превратится в белого карлика и будет в таком виде существовать еще миллиарды лет. 
  7. Как превращается звезда в белый карлик? В основном все зависит от массы, давайте рассмотрим на примере нашего Солнца. Пройдет еще несколько миллиардов лет и Солнце начнет увеличиваться в размерах, превращаясь в красного гиганта, связанно это с тем, что весь водород выгорит в его ядре. После того, как водород выгорит начнется реакция синтеза гелия и углерода.

    Материалы по теме

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

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

    Коллаж из 100 планетарных туманностей, по заверениям автора масштаб соблюден

Ответы на вопросы

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

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

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

    Пульсар PSR J0348 +0432 — нейтронная звезда и белый карлик

  3. Из-за чего светятся белые карлики? Так термоядерные реакции уже не происходят все имеющееся излучение это тепловая энергия, так почему они светятся? По сути он медленно остывает, как раскаленное железо, которое сперва ярко белое, а затем краснеет. Вырожденный газ очень хорошо проводит тепло из центра и он остывает на 1% за сотни миллионов лет. Со временем остывание замедляется и он может просуществовать триллионы лет.
  4. Во что превращаются белые карлики? Возраст Вселенной слишком мал, для того чтобы могли образоваться, так называемые, черные карлики, конечной стадия эволюции. Так что видимых подтверждений у нас пока нет. На основе расчетов его остывания мы знаем лишь одно, что их продолжительность жизни, имеет поистине огромную, превышающую возраст Вселенной (13,7 млрд. лет) и теоретически составляющую триллионы лет.
  5. Существует ли белый карлик с сильным магнитным полем как у нейтронной звезды? Некоторые из них обладают мощными магнитными полями, гораздо сильнее, чем любые созданные нами на Земле. Например, сила магнитного поля на поверхности Земли составляет всего от 30 до 60 миллионных долей тесла, в то время как напряженность магнитного поля белого карлика может достигать 100 000 тесла.

    Магнетар, рисунок художника

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

Научно-популярный фильм о героях нашей статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 71183

Запись опубликована: 16.02.2014
Автор: Максим Заболоцкий

Представь Вселенную!

  • Расширенный
  • Базовый

Белый карлик — это то, чем становятся такие звезды, как Солнце, после того, как они израсходовали свое ядерное топливо. Ближе к концу стадии ядерного горения звезды этого типа выбрасывают большую часть своего внешнего материала, создавая планетарную туманность. Остается только горячее ядро ​​звезды. Это ядро ​​становится очень горячим белым карликом с температурой, превышающей 100 000 Кельвинов. Если только он не аккрецирует вещество от ближайшей звезды (см. Катаклизмические переменные), белый карлик остывает в течение следующего миллиарда лет или около того. Многие близлежащие молодые белые карлики были обнаружены как источники мягкого или низкоэнергетического рентгеновского излучения. В последнее время наблюдения в мягком рентгеновском и крайнем ультрафиолете стали мощным инструментом в изучении состава и структуры тонкой атмосферы этих звезд.

Представление художника об эволюции нашего Солнца (слева) через стадию красного гиганта (в центре) к белому карлику (справа).

Типичный белый карлик вдвое меньше Солнца по массе, но лишь немного больше Земли. Белый карлик размером с Землю имеет плотность 1 x 10 9 кг/м 3 . Сама Земля имеет среднюю плотность всего 5,4 х 10 3 кг/м 3 . Это означает, что белый карлик в 200 000 раз плотнее. Это делает белые карлики одним из самых плотных скоплений материи, уступая только нейтронным звездам.

Что внутри белого карлика?

Поскольку белый карлик не может создать внутреннее давление (например, из-за высвобождения энергии при синтезе, поскольку синтез прекратился), гравитация сжимает материю внутрь до тех пор, пока даже электроны, составляющие атомы белого карлика, не столкнутся друг с другом. В нормальных условиях одинаковые электроны (с одинаковым «спином») не могут занимать один и тот же энергетический уровень. Поскольку электрон может вращаться только двумя способами, только два электрона могут занимать один энергетический уровень. Это то, что известно в физике как принцип запрета Паули. В обычном газе это не проблема, потому что электронов недостаточно, чтобы полностью заполнить все энергетические уровни. Но у белого карлика плотность намного выше, и все электроны гораздо ближе друг к другу. Это называется «вырожденным» газом, что означает, что все энергетические уровни в его атомах заполнены электронами. Чтобы гравитация сжала белого карлика еще больше, она должна вытолкнуть электроны туда, куда они не могут попасть. Как только звезда вырождается, гравитация не может больше сжимать ее, потому что квантовая механика диктует, что больше нет места, которое можно было бы занять. Так что наш белый карлик выживает не благодаря внутреннему синтезу, а благодаря принципам квантовой механики, которые предотвращают его полный коллапс.

Вырожденная материя обладает и другими необычными свойствами. Например, чем массивнее белый карлик, тем он меньше. Это связано с тем, что чем больше масса белого карлика, тем сильнее должны сжиматься его электроны, чтобы поддерживать достаточное внешнее давление, чтобы поддерживать дополнительную массу. Однако существует предел массы белого карлика. Субрахманьян Чандрасекар обнаружил, что этот предел в 1,4 раза превышает массу Солнца. Это соответственно известно как «предел Чандрасекара».

С гравитацией на поверхности, в 100 000 раз превышающей земную, атмосфера белого карлика очень странная. Более тяжелые атомы в его атмосфере тонут, а более легкие остаются на поверхности. Некоторые белые карлики имеют атмосферу почти чистого водорода или гелия, самого легкого из элементов. Кроме того, гравитация притягивает атмосферу очень тонким слоем вокруг себя. Если бы это произошло на Земле, верхняя часть атмосферы находилась бы ниже вершин небоскребов.

Ученые предполагают, что под атмосферой многих белых карликов находится кора толщиной 50 км. На дне этой корки находится кристаллическая решетка из атомов углерода и кислорода. Поскольку алмаз — это всего лишь кристаллизованный углерод, можно провести сравнение между холодным углеродно-кислородным белым карликом и алмазом.

Последнее изменение: декабрь 2010 г.

Дополнительные ссылки
  • Опросите меня по этой теме
  • Прикольный факт на эту тему
  • Попробуйте это!
  • Часто задаваемые вопросы о белых карликах и других звездах
  • Вводная статья на эту тему.
  • Дайте мне дополнительные ресурсы
Связанные темы
  • Катаклизмические переменные
Для преподавателей
  • Стандарты NCTM и NSES
  • Буклет «Жизненный цикл звезд»
  • Покажите мне похожие планы уроков

Белые карлики: факты о плотных звездных остатках

Белые карлики — это плотные звездные трупы.
(Изображение предоставлено: Будущее)

Белые карлики — это то, что остается, когда звезды, подобные нашему Солнцу, исчерпают все свое топливо. Это плотные, тусклые звездные трупы — последняя наблюдаемая стадия эволюции звезд малой и средней массы.

В то время как большинство массивных звезд в конечном итоге превратятся в сверхновые, согласно НАСА, звезды с малой или средней массой, масса которых примерно в 8 раз превышает массу Солнца, в конечном итоге станут белыми карликами . Примерно 9По мнению исследователей, 7% звезд Млечного Пути в конечном итоге станут белыми карликами .

По сравнению с нашим Солнцем , белый карлик имеет аналогичную массу углерода и кислорода, хотя он намного меньше по размеру — похож на Землю , по данным Государственного университета Нью-Мексико новая вкладка) (НМСУ).

Температура белого карлика может превышать 100 000 Кельвинов (открывается в новой вкладке) по данным НАСА (это около 179 500 градусов по Фаренгейту). Несмотря на эти изнуряющие температуры, белые карлики имеют низкую светимость, поскольку, по данным NMSU, они очень малы.

Связанный: Красные карлики: самые распространенные и долгоживущие звезды

Формирование белых карликов

Звезды главной последовательности , включая Солнце, формируются из облаков пыли и газ стягиваются под действием силы тяжести. То, как звезды эволюционируют в течение своей жизни, зависит от их массы. Самые массивные звезды, масса которых в восемь и более раз превышает массу Солнца, никогда не станут белыми карликами. Вместо этого в конце своей жизни белые карлики взорвутся мощной сверхновой , оставив после себя нейтронную звезду  или черную дыру .

Знаете ли вы?

По данным НАСА, чайная ложка вещества белого карлика на Земле будет весить 5,5 тонны — примерно столько же, сколько слон!

Меньшие звезды, однако, пойдут по более спокойному пути. Звезды с малой и средней массой, такие как Солнце , со временем превратятся в красных гигантов. После этого звезды сбросили свои внешние слои в кольцо, известное как планетарная туманность  (ранние наблюдатели думали, что туманности напоминают такие планеты, как Нептун и Уран ). Оставшееся ядро ​​​​будет белым карликом, оболочкой звезды, в которой не происходит синтеза водорода.

Прохладная тусклая звезда в центре голубого дымчатого облака — белый карлик. Планетарная туманность NGC 2452 расположена в южном созвездии Кормы. (Изображение предоставлено ЕКА/Хабблом и НАСА. Благодарности: Лука Лиматола, Будяну Космин Мирел)

(открывается в новой вкладке)

Меньшие звезды, такие как красные карлики, не достигают состояния красного гиганта. Они просто сжигают весь свой водород, заканчивая процесс тусклым белым карликом. Однако красным карликам требуются триллионы лет, чтобы поглотить свое топливо, что намного больше, чем возраст Вселенной в 13,8 миллиардов лет, поэтому ни один из красных карликов еще не стал белым карликом.

Характеристики белого карлика

Когда у звезды заканчивается топливо, она больше не испытывает внешнего толчка в процессе синтеза и схлопывается внутрь самой себя. Белые карлики обладают примерно такой же массой, как Солнце, но имеют примерно такой же радиус, как Земля, согласно Космосу , астрономической энциклопедии Университета Суинберна в Австралии. Это делает их одними из самых плотных объектов в космосе, уступая лишь нейтронным звездам и черным дырам. По данным НАСА, гравитация на поверхности белого карлика в 350 000 раз больше, чем на Земле. Это означает, что 150-фунтовый (68-килограммовый) человек на Земле будет весить 50 миллионов фунтов (22,7 миллиона кг) на поверхности белого карлика.

Вид всего неба на около 230 000 белых карликов, обнаруженных спутником Gaia Европейского космического агентства. (Изображение предоставлено: Gaia Sky; S. Jordan / T. Sagristà, Astronomisches Rechen-Institut, Zentrum für Astronomie der Universität Universität Heidelberg, Германия)

Белые карлики достигают такой невероятной плотности, потому что они сжаты так плотно что их электроны сталкиваются друг с другом, образуя то, что называется «вырожденной материей». Бывшие звезды будут продолжать коллапсировать до тех пор, пока сами электроны не создадут достаточную силу давления наружу, чтобы остановить сжатие. Чем больше масса, тем больше притяжение внутрь, поэтому более массивный белый карлик имеет меньший радиус, чем его менее массивный аналог. Эти условия означают, что после потери большей части своей массы во время фазы красного гиганта ни один белый карлик не может превышать массу Солнца в 1,4 раза .

Когда звезда увеличивается в размерах и становится красным гигантом, она поглощает ближайшие планеты. Но некоторые все же могут выжить. Космический корабль НАСА «Спитцер» показал, что по крайней мере от 1 до 3 процентов звезд белых карликов имеют загрязненную атмосферу, которая предполагает попадание в них каменистого материала.

Истории по теме:

«В поисках планет, похожих на Землю, мы определили множество систем, которые являются отличными кандидатами для их убежища», — сказал Space Джей Фарихи, исследователь белых карликов из Лестерского университета в Англии. ком (откроется в новой вкладке). «Там, где они сохраняются как белые карлики, любые планеты земной группы не будут пригодны для жизни, но могут быть местами, где жизнь развивалась в предыдущую эпоху».

В одном захватывающем случае исследователи наблюдали каменистый материал, когда он падает на белого карлика.

«Удивительно и неожиданно, что мы можем наблюдать такие драматические изменения в масштабах человеческого времени», — сказал Борис Гензике, астроном из Уорикского университета в Англии, Space.com .

Судьба белого карлика

Художественная иллюстрация, изображающая белого карлика, крадущего материал у соседнего компаньона. (Изображение предоставлено NASA/JPL-Caltech)

Многие белые карлики исчезают в относительной безвестности, в конечном итоге излучая всю свою энергию и становясь так называемыми черными карликами , но те, которые делят систему со звездами-компаньонами, могут пострадать иная судьба.

Если белый карлик является частью бинарной системы, он может вытягивать материал своего компаньона на свою поверхность. Увеличение массы белого карлика может привести к интересным результатам.

Одна из возможностей состоит в том, что добавленная масса может привести к коллапсу в гораздо более плотную нейтронную звезду.

Гораздо более взрывоопасный результат — сверхновая типа 1a . По мере того, как белый карлик вытягивает материал из звезды-компаньона, температура увеличивается, что в конечном итоге вызывает неконтролируемую реакцию, которая взрывается в виде мощной сверхновой, которая уничтожает белого карлика. Этот процесс известен как «одновырожденная модель» сверхновой типа 1а.

Связанный: Know Your Novas: объяснение звездных взрывов (инфографика)

В 2012 году исследователи смогли детально рассмотреть сложные газовые оболочки, окружающие одну сверхновую типа 1a.

«Мы действительно впервые увидели подробные доказательства существования прародителя сверхновой типа 1a», — сказал SPACE.com Бенджамин Дилдей, ведущий автор исследования и астроном Глобальной сети телескопов обсерватории Лас-Кумбрес в Калифорнии (открывается в новая вкладка).

Если компаньоном является другой белый карлик, а не активная звезда, два звездных трупа сливаются вместе (открывается в новой вкладке), чтобы запустить фейерверк. Этот процесс известен как «модель двойного вырождения» сверхновой типа 1а.

В других случаях белый карлик может вытянуть из своего компаньона ровно столько материала, сколько нужно, чтобы на короткое время воспламениться новой звездой, гораздо меньшим взрывом. Поскольку белый карлик остается неповрежденным, он может повторить этот процесс несколько раз, когда достигнет критической точки, снова и снова вдыхая жизнь в умирающую звезду.

«Это самые яркие и частые звездные извержения в галактике, и их часто можно увидеть невооруженным глазом», — сказал Space.com Пшемек Мроз, астроном из Варшавского университета Польши.

Дополнительные ресурсы

Вы можете узнать больше о белых карликах с ЕКА (откроется в новой вкладке) и изучить различные типы звезд с НАСА (откроется в новой вкладке). Узнайте об эволюции двойных звездных систем с помощью этого бесплатного учебного материала от Lumen Learning (откроется в новой вкладке). Изучите физику Вселенной с белыми карликами в этом информативном материале Техасского университета в Остине (откроется в новой вкладке).

Библиография

  • Dilday, B., et al. «PTF 11kx: сверхновая типа Ia с прародителем симбиотической новой. (открывается в новой вкладке)» Наука 337,6097 (2012): 942-945.
  • Фонтейн Г., П. Брассар и П. Бержерон. «The Potential of White Dwarf Cosmochronology1. » Publications of the Astronomical Society of the Pacific 113.782 (2001): 409. 
  • Horowitz, CJ «Ядерная и темная материя, нагревающаяся в массивных звездах белых карликов. (открывается в новая вкладка)» Physical Review D 102.8 (2020): 083031. 
  • Bédard, A., et al. «О спектральной эволюции горячих белых карликов. I. Подробный модельный анализ атмосферы горячих белых карликов из SDSS DR12. (открывается в новой вкладке)» The Astrophysical Journal 901.2 (2020): 93. 
  • ЕКА «Проливая свет на белых карликов — будущее звезд, подобных нашему Солнцу. (откроется в новой вкладке)» 2019 

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.