Белый карлик это – БЕЛЫЙ КАРЛИК - это... Что такое БЕЛЫЙ КАРЛИК?

Содержание

БЕЛЫЙ КАРЛИК — это… Что такое БЕЛЫЙ КАРЛИК?

белый карлик — сущ., кол во синонимов: 1 • звезда (503) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

Белый карлик — У этого термина существуют и другие значения, см. Белый карлик (значения). Белые карлики проэволюционировавшие звёзды с массой, не превышающей предел Чандрасекара (максимальная масса, при которой звезда может существовать как белый карлик) … Википедия

Белый карлик (значения) — Белый карлик: Белый карлик компактная звезда, в ядре которой уже не происходит выделение энергии за счет термоядерного синтеза. Белый карлик журнал о настольных играх, выпускаемый компанией Games Workshop. Белый карлик кинофильм … Википедия

Белый карлик (фильм) — У этого термина существуют и другие значения, см. Белый карлик (значения). Белый карлик White Dwarf Жанр фантастика Режиссёр Питер Маркл … Википедия

Белый карлик (журнал)

— … Википедия

Пульсирующий белый карлик — Пульсирующие белые карлики один из типов пульсирующих переменных звёзд. Светимость этих белых карликов меняется из за их нерадиальных пульсаций, вызванных волнами гравитации (gravity wave) (не гравитационными волнами!)[1]. У этих звёзд… … Википедия

Карлик (значения) — Карлик: Карлик взрослый человек очень невысокого роста (менее 130 см) Карлик (Ethernet) тип Ethernet фрейма. В астрономии Карлик карликовая звезда: Белый карлик Желтый карлик Красный карлик Коричневый карлик Чёрный карлик В… … Википедия

КАРЛИК — КАРЛИК, а, муж. 1. Животное или растение неестественно маленького размера. Орёл к. Сосна к. 2. Человек неестественно маленького роста. Злой к. (в сказках). 3. Слабо светящаяся небольшая звезда (спец.). Белый к. (очень плотная звезда малых… … Толковый словарь Ожегова

БЕЛЫЙ Андрей

— (Борис Николаевич Бугаев) (1880 1934), русский поэт, писатель, литературовед и философ, оказавший значительное влияние на творчество Булгакова. Родился 14 октября (26 октября) 1880 г. в семье профессора математики Московского университета … Энциклопедия Булгакова

Жёлтый карлик — У этого термина существуют и другие значения, см. Жёлтый карлик (значения). Солнце, типичный пример звезды класса GV Жёлтый карлик тип небольших звёзд … Википедия

dic.academic.ru

Белый карлик – Журнал «Все о Космосе»

Белые карлики: остывающие звезды во вселенной

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 больше массы Солнца, но с радиусами в 100 раз меньше и, соответственно, болометрическими светимостями в ~10 000 раз меньшими солнечной. Средняя плотность вещества белых карликов в пределах их фотосфер 105—109 г/см³, 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.

Видимое движение Сириуса по небесной сфере (по Фламмариону)

Первым открытым белым карликом стала звезда 40 Эридана B в тройной системе 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 и третьим открытыми белыми карликами стали Сириус B и Процион B. В 1844 году директор Кёнигсбергской обсерватории Фридрих Бессель, анализируя данные наблюдений, которые велись с 1755 года, обнаружил, что Сириус, ярчайшая звезда неба, и Процион периодически, хотя и весьма слабо, отклоняются от прямолинейной траектории движения по небесной сфере. Бессель пришёл к выводу, что у каждой из них должен быть близкий спутник. Сообщение было встречено скептически, поскольку слабый спутник оставался ненаблюдаемым, а его масса должна была быть достаточно велика — сравнимой с массой Сириуса и Проциона, соответственно.

В январе 1862 года Элвин Грэхэм Кларк, юстируя 18-дюймовый рефрактор, 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 K, 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 — 106 г/см³ (плотность Сириуса ~0,25 г/см³, плотность Солнца ~1,4 г/см³).

В 1917 году Адриан ван Маанен открыл ещё один белый карлик — звезду ван Маанена в созвездии Рыб.

В 1922 году Виллем Якоб Лейтен предложил называть такие звёзды «белыми карликами».

В начале XX века Герцшпрунгом и Расселлом была открыта закономерность в отношении спектрального класса (то есть температуры) и светимости звёзд — диаграмма Герцшпрунга — Расселла (Г—Р диаграмма). Казалось, что всё разнообразие звёзд укладывается в две ветви Г—Р диаграммы — главную последовательность и ветвь красных гигантов. В ходе работ по накоплению статистики распределения звёзд по спектральному классу и светимости Расселл обратился в 1910 году к профессору Эдуарду Пикерингу. Дальнейшие события Расселл описывает так:

«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.

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.

Строение звезды главной последовательности солнечного типа и красного гиганта с изотермическим гелиевым ядром и слоевой зоной нуклеосинтеза (масштаб не соблюдён).

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 108 К кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера: два ядра гелия (4He, альфа-частицы) могут сливаться с образованием нестабильного изотопа бериллия 8Be.

Несмотря на весьма низкую равновесную концентрацию 8Be (например, при температуре ~108 К отношение концентраций [8Be]/[4He] ~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.

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.

Популяция белых карликов в шаровом звёздном скоплении NGC 6397. Синие квадраты — гелиевые белые карлики, фиолетовые кружки — «нормальные» белые карлики с высоким содержанием углерода.

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, 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.

Протопланетарная туманность HD 44179: асимметричный выброс газопылевой материи красным гигантом.

Ядерные реакции в красных гигантах происходят не только в ядре: по мере выгорания водорода в ядре, нуклеосинтез гелия распространяется на ещё богатые водородом области звезды, образуя сферический слой на границе бедных и богатых водородом областей. Аналогичная ситуация возникает и с тройной гелиевой реакцией: по мере выгорания гелия в ядре она также сосредотачивается в сферическом слое на границе между бедными и богатыми гелием областями. Светимость звёзд с такими «двухслойными» областями нуклеосинтеза значительно возрастает, достигая порядка нескольких тысяч светимостей Солнца, звезда при этом «раздувается», увеличивая свой диаметр до размеров земной орбиты. Зона нуклеосинтеза гелия поднимается к поверхности звезды: доля массы внутри этой зоны составляет ~70 % массы звезды. «Раздувание» сопровождается достаточно интенсивным истечением вещества с поверхности звезды, наблюдаются такие объекты как протопланетарные туманности.

Планетарная туманность NGC 3132: в центре двойная звезда — аналог Сириуса.

Такие звёзды явно нестабильны, и в 1956 году астроном и астрофизик Иосиф Шкловский предложил механизм образования планетарных туманностей через сброс оболочек красных гигантов, при этом обнажение изотермических вырожденных ядер таких звёзд приводит к рождению белых карликов. Точные механизмы потери массы и дальнейшего сброса оболочки для таких звёзд пока неясны, но можно предположить следующие факторы, способные внести свой вклад в потерю оболочки:

Из-за крайне высокой светимости существенным становится световое давление потока излучения звезды на её внешние слои, что, по расчётным данным, может привести к потере оболочки за несколько тысяч лет.

Вследствие ионизации водорода в областях, лежащих ниже фотосферы, может развиться сильная конвективная неустойчивость. Аналогичную природу имеет солнечная активность, в случае же красных гигантов мощность конвективных потоков должна значительно превосходить солнечную.

В протяжённых звёздных оболочках могут развиваться неустойчивости, приводящие к сильным колебательным процессам, сопровождающимся изменением теплового режима звезды. Наблюдаются волны плотности выброшенной звездой материи, которые могут быть следствиями таких колебаний.

У красных гигантов с «двуслойным» термоядерным источником, перешедших на поздней стадии своей эволюции на асимптотическую ветвь гигантов, наблюдаются термические пульсации, сопровождающиеся «переключением» водородного и гелиевого термоядерных источников и интенсивной потерей массы.

Так или иначе, но достаточно длительный период относительно спокойного истечения вещества с поверхности красных гигантов заканчивается сбросом его оболочки и обнажением его ядра. Такая сброшенная оболочка наблюдается как планетарная туманность. Скорости расширения протопланетарных туманностей составляют десятки км/с, то есть близки к значению параболических скоростей на поверхности красных гигантов, что служит дополнительным подтверждением их образования сбросом «излишка массы» красных гигантов.

Сейчас предложенный Шкловским сценарий конца эволюции красных гигантов является общепринятым и подкреплён многочисленными наблюдательными данными.

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 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. Таким образом, для белых карликов, в отличие от звёзд главной последовательности и гигантов, не существует зависимость масса — светимость.

Вышеприведённое уравнение состояния действительно для холодного электронного газа, но температура даже в несколько миллионов градусов мала по сравнению с характерной ферми-энергией электронов. 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. 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. 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.

Спектры белых карликов в шаровом скоплении NGC 6397. «Стандартный» спектр белого карлика спектрального класса DA для сравнения показан сверху (красный).

Спектры белых карликов сильно отличаются от спектров звёзд главной последовательности и гигантов. Главная их особенность — небольшое число сильно уширенных линий поглощения, а некоторые белые карлики (спектральный класс DC) вообще не содержат заметных линий поглощения. Малое число линий поглощения в спектрах звёзд этого класса объясняется очень сильным уширением линий: только самые сильные линии поглощения, уширяясь, имеют достаточную глубину, чтобы остаться заметными, а слабые, из-за малой глубины, практически сливаются с непрерывным спектром.

Особенности спектров белых карликов объясняются несколькими факторами. Во-первых, из-за высокой плотности белых карликов ускорение свободного падения на их поверхности составляет ~108 см/с² (или ~1000 км/с²), что, в свою очередь, приводит к малым протяжённостям их фотосфер, огромным плотностям и давлениям в них и уширению линий поглощения. Другим следствием сильного гравитационного поля на поверхности является гравитационное красное смещение линий в их спектрах, эквивалентное скоростям в несколько десятков км/с. Во-вторых, у некоторых белых карликов, обладающих сильными магнитными полями, наблюдаются сильная поляризация излучения и расщепление спектральных линий вследствие эффекта Зеемана.

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:

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 C2
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

Экзотическая двойная система PSR J0348+0432, состоящая из пульсара и белого карлика, который обращается вокруг него за 2,5 часа.

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.

Система KOI-256, состоящая из красного и белого карликов. Иллюстрация NASA.

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.

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.

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 подсчетам минимум 1015 млрд. лет требуется для остывания белого карлика до температуры 5K), так как время, прошедшее со времени образования первых звезд во Вселенной, составляет (по современным представлениям) около 13 миллиардов лет, но некоторые белые карлики уже охладились до температур ниже 4000 градусов Кельвина (например белые карлики WD 0346+246 и SDSS J110217, 48+411315.4 с температурами 3700K — 3800K и спектральным классом M0 на расстоянии около 100 световых лет от Солнца), что, наряду с малыми размерами, делает их обнаружение весьма сложной задачей.

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 2·10⁵ К, однако достаточно быстро падает за счёт нейтринного охлаждения и 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 звезд главной последовательности: иллюстрацией могут служить снимки Сириуса, сделанные рентгеновским телескопом «Чандра» — 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.

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

aboutspacejornal.net

Белый карлик | Коротко и ясно о самом интересном

Category:Коротко и ясно о самом интересном Tags : Белый карлик Вселенная Горячая десятка астрономических открытий Дуглас Адамс Открытия Ускоренное расширение Вселенной Эйнштейн

Состав Вселенной по данным WMAP (это космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва). 74 % — тёмная энергия, 22 % тёмная материя, 3,6 % межгалактический газ, 0,4 % — наблюдаемые звезды (Nemets79).

Возможные сценарии эволюции Вселенной.

Наконец, последнее большое открытие – ускоренное расширение Вселенной. Если взять любую научно-популярную книжку о космологии, изданную до 2000 года, то, говоря о будущем Вселенной, авторы всегда обсуждали три сценария. Когда я преподавал в школе (с 1993 по 2002 год), то до 1998 года я рассказывал примерно то же самое. Итак, Вселенная начала расширяться, но самая главная действующая во Вселенной в большом масштабе сила (гравитация) стремится остановить это расширение. Дальше всё зависит от того, насколько много вещества, массы, насколько велика средняя плотность вещества. Если она больше некоторой критической, то всё это вещество схлопнется обратно, и, как это замечательно написано у Дугласа Адамса, получится обыкновенный gnab-gib, то есть big-bang наоборот. Если плотности не хватит, Вселенная будет расширяться всё медленнее и медленнее, но будет делать это всегда. Ну и, наконец, есть психологически приятный для нас промежуточный режим, когда расширение идёт всё медленнее и медленнее, и выходит на что-то постоянное. Мы подсознательно хотим какой-то стабильности в будущем, в том числе и в будущем нашей Вселенной. Такие три варианта всегда в основном рассматривались в популярной литературе. На самом деле космологи в своих книжках и статьях рассматривали и четвёртый вариант. И не только потому, что ключевой ингредиент этого варианта из совершенно других соображений придумал Эйнштейн в 1917 году, 100 лет назад. Во Вселенной может быть нечто, что заставляет её расширяться всё быстрее и быстрее. То, что работает «как будто» антигравитация. В Общей теории относительности никакой настоящей антигравитации нет. Но вы можете добавить нечто – какую-то среду, поле и ещё что-то, что обладает отрицательным давлением. И тогда в Общей теории относительности это будет приводить к кажущейся антигравитации. Приводить к тому, что объекты будут отталкиваться друг от друга, будучи погруженным в эту среду. Даже если объекты не погружать, у вас метрика будет расширяющейся. Так вот, неожиданно, в 1998 году две группы астрономов открыли это ускоренное расширение Вселенной. Они наблюдали сверхновые особого типа. Это взрывы белых карликов. Белый карлик – это то, что получится из Солнца, такой очень стабильный шарик. Но, если мы будем увеличивать массу белого карлика, то рано или поздно он взорвётся. Он взрывается, добравшись до некоторой критической массы, и поэтому такие взрывы (они называются взрывы сверхновых типа Ia) очень похожи друг на друга. Иногда о них говорят, что это «стандартные свечи». На самом деле взрыв происходит не точно на критической массе. Представьте себе: белый карлик и нормальная звезда. Вещество с нормальной звезды постепенно перетекает на белый карлик, у него растёт масса, она вырастает до критической и происходит взрыв. Тут всё более-менее должно быть стандартно. Но большая часть взрывов происходит по другой причине. У вас есть два белых карлика в системе, и они сливаются. Их масса может оказаться точно равна критической, но, скорее всего, она будет немного больше, а в некоторых случаях – почти в два раза. И поэтому взрывы разные. Но люди научились по характеру взрыва, по данным наблюдений рассчитывать светимость. Благодаря, в первую очередь, орбитальному телескопу имени Хаббла, удалось наблюдать сверхновые Ia на очень больших расстояниях. Это очень мощные взрывы, потому, что белый карлик при этом разрушаются целиком. Происходит глобальный термоядерный взрыв. Кстати, бóльшая часть железа, с которым мы имеем дело в повседневной жизни, родилась именно в результате взрыва в таких белых карликах. Так вот, наблюдая очень мощные взрывы на больших расстояниях, люди научились независимо определять расстояние до далёких галактик. С одной стороны, у нас есть красное смещение, и мы по космологической модели можем рассчитать это расстояние. А теперь мы его измеряем напрямую и сравниваем. И оказалось, что далёкие галактики находятся чуть-чуть дальше, чем им положено. То есть что-то в теории не так, нужно подкрутить какие-то параметры. И, когда попробовали это сделать, используя доступный космологический инструментарий, то оказалось, что надо добавить в уравнения тот самый лямбда-член, который ввёл Эйнштейн 100 лет назад, это нужно для того, чтобы Вселенную ещё немножко растянуть. И когда посчитали, сколько нужно вот этой необычной среды, оказалось что сейчас, в наше время, она доминирует. Результат был удивительным, сводится он сейчас к тому, что около 70% полной плотности нашей Вселенной связано именно с вот этой загадочной средой, которую назвали тёмная энергия. Энергия – потому, что её везде одинаково. Тёмное вещество можно «собрать в кучу», а тёмная энергия везде одинакова. И поскольку открытие было очень важное, его надо было перепроверить. Его довольно быстро перепроверили совершенно разными способами (не только по сверхновым), и поэтому спустя всего лишь несколько лет после публикации статьи, за открытие ускоренного расширения Вселенной была вручена Нобелевская премия. Строго говоря, мы не знаем, почему происходит это ускоренное расширение. Мы описываем, его вводя тёмную энергию. Мы не знаем, что это такое – то ли свойство вакуума, то ли какое-то новое физическое поле, люди над этим работают, ответа нет, это очень важный вопрос, очень интересная физическая загадка, и, скорее всего, не только астрофизическая, но и физическая. Но Вселенная, как минимум последние несколько миллиардов лет, действительно расширяется ускоренно, это очень надёжные данные. Это переписывает нашу картину мира, это меняет наше представление о будущем Вселенной.

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

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

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

xn—-stb8d.xn--p1ai

Пульсирующий белый карлик — это… Что такое Пульсирующий белый карлик?

Пульсирующие белые карлики — один из типов пульсирующих переменных звёзд. Светимость этих белых карликов меняется из-за их нерадиальных пульсаций, вызванных волнами гравитации (gravity wave) (не гравитационными волнами!)^[1]. У этих звёзд наблюдаются небольшие (1 % — 30 %) изменения светимости, которые получаются в результате наложения нескольких колебаний с периодами от сотен до тысяч секунд. Эти пульсации представляют интерес для астросейсмологии и дают информацию о внутреннем устройстве белых карликов^[2].

Известные пульсирующие белые карлики делятся на такие типы:

DAV звёзды (ZZA по классификации ОКПЗ^[3]) или звёзды типа ZZ Кита — звезды с доминированием водорода в атмосфере, относятся к подклассу DA спектрального класса D^[4]^{, pp. 891, 895};
DBV звёзды (ZZB по классификации ОКПЗ^[3]), или звезды типа V777 Геркулеса — звезды с доминированием гелия в атмосфере, подкласс DB класса D^[5]^{, p. 3525};
звёзды типа GW Девы (ZZO по классификации ОКПЗ^[3]) — с преобладанием в атмосфере звезды гелия, углерода и кислорода, относятся к звёздам типа PG 1159 (англ.) с редкими запрещенными линиями трехкратно ионизированного углерода и однократно ионизированного гелия. (Некоторые авторы относят к звёздам типа GW Девы не только звёзды типа PG 1159). Звезды типа GW Девы могут быть разделены на DOV и PNNV звёзды^[6]^{, § 1.1, 1.2;}^[7]. Они, строго говоря, ещё не являются белыми карликами — они не достигли области на диаграмме Герцшпрунга-Рассела, соответствующей этим звёздам^[6]^{, § 1.1;}^[8].
DQV звёзды — подтип звёзд с доминированием углерода в атмосфере, был предложен в 2008 году^[9].

DAV звёзды

Ранние расчеты свидетельствовали, что белые карлики должны пульсировать с периодом около 10 секунд, но поиски в 1960-х годах не принесли успеха^[4]^{, § 7.1.1;}^[10]. Первая переменность белого карлика был замечена у HL Тельца 76; в 1965 году и в 1966 году Арло Ландольт (en:Arlo U. Landolt) измерил, что его пульсации имеют период около 12,5 минут^[11]. Причина того, что период оказался больше, чем предсказывалось, — то, что переменность HL Тельца 76, как и у других пульсирующих белых карликов, возникает из-за нерадиальных пульсаций^[4]^{, § 7}. В 1970 году было установлено, что другой белый карлик, Росс 548 (англ.), имеет тот же тип переменности что и HL Тельца 76^[12], в 1972 году, ему было присвоено обозначение ZZ Кита^[13]. Звёздами типа ZZ Кита называют весь класс пульсирующих переменных белых карликов, в атмосфере которых преобладает водород (DAV-звёзды)^[4]^{, pp. 891, 895}. Эти звезды имеют периоды от 30 секунд до 25 минут и находятся в довольно узком диапазоне эффективных температур: от примерно 11 100 К до 12 500 К^[14]. Скорость изменения периода пульсаций, вызванных волнами гравитации, у звёзд типа ZZ Кита прямо пропорциональна времени охлаждения для белых карликов типа DA, что, в свою очередь, может дать инструмент для независимого измерения возраста галактического диска^[15].

DBV звезды

В 1982 году расчёты Д. Е. Уингета (D.E. Winget) и его коллег позволили предложить, что белые карлики типа DB с гелиевой атмосферой и температурой поверхности около 19 000 К также должны пульсировать^[16]^{, p. L67.}. Уингет искал такие звезды, и обнаружил, что GD 358 имела переменность типа DBV^[17]. Это было первое предсказание класса переменных звезд до их наблюдения^[18]^{, p. 89.}. В 1985 году эта звезда была обозначена как V777 Геркулеса, и по её названию этот класс переменных звезд также называют звёздами типа V777 Геркулеса^[19]^;^[5]^{, p. 3525}. Они имеют эффективную температуру поверхности около 25 000 K^[4]^{, p. 895.}.

Звёзды типа GW Девы

Третий известный класс пульсирующих переменных белых карликов называется звёзды типа GW Девы и иногда он подразделяется на звёзды типа DOV и PNNV. Их прототип — PG 1159-035^[6]^{, § 1.1}; также эта звезда является прототипом более широкого класса не обязательно переменных звёзд — звёзд типа PG 1159 (англ.). У этой звезды переменность впервые наблюдалась в 1979 году^[20], а в 1985 году она получила обозначение GW Девы^[19], дав название новому классу переменных звёзд. Эти звезды, строго говоря, не являются белыми карликами, а, скорее, они являются звездами, которые на диаграмме Герцшпрунга-Рессела находятся между асимптотической ветвью гигантов и областью белых карликов. Они могут быть названы протобелыми карликами или предбелыми карликами (pre-white dwarfs)^[6]^{, § 1.1;}^[8]. Это горячие звёзды с температурой поверхности от 75 000 K до 200 000 K, и атмосферой в которой преобладает гелий, углерод и кислород. Они могут иметь относительно низкую силу тяжести на поверхности (log g ≤ 6.5)^[6]^{, Table 1}. Считается, что эти звезды в конечном итоге охладятся и станут белыми карликами типа DO^[6]^{, § 1.1}.

Периоды колебательных мод звёзд типа GW Девы лежат в диапазоне от 300 до 5000 секунд^[6]^{, Table 1}. Пульсации звёзд типа GW Девы впервые была изучены в 1980-х годах^[21], но с тех пор они остается необъяснёнными^[22]. С самого начала считалось, что возбуждения вызваны так называемым κ-механизмом (англ.), связанным с ионизацией углерода и кислорода в оболочке звезды ниже фотосферы, но считалось, что этот механизм не будет работать, если гелий присутствует в оболочке. Однако теперь выясняется, что нестабильность может существовать даже в присутствии гелия^[23]^{, § 1}.

DQV звёзды

Новый класс белых карликов, спектрального класса DQ и горячей атмосферой с преобладанием углерода, был недавно обнаружен Патриком Дюфуром (Patrick Dufour), Джеймсом Либертом (James Liebert) и их сотрудниками^[24]. Теоретически такие белые карлики должны пульсировать при температурах, когда их атмосферы частично ионизованы. Наблюдения, сделанные в обсерватории Мак-Дональда, позволили предположить, что SDSS J142625.71 +575218,3 является таким белым карликом, и если это так, то он будет первым членом нового, DQV-класса пульсирующих белых карликов. Однако, возможно, что этот белый карлик входит в двойную систему с аккреционным углерод-кислородным диском^[9].

Примечания

↑ В отличие от гравитационных волн волны гравитации возникают при взаимодействии или взаимном влиянии двух сред с разной плотностью. На Земле волны гравитации могут возникнуть на границе «океан-атмосфера»
↑ Asteroseismology of white dwarf stars, D. E. Winget, Journal of Physics: Condensed Matter 10, #49 (December 14, 1998), pp. 11247–11261. DOI:10.1088/0953-8984/10/49/014. (англ.)
↑ ¹ ² ³ GCVS Variability Types, N.N. Samus, Moscow Inst. Astron., O.V. Durlevich Sternberg Astron. Inst., Moscow 12-Feb-2009 (англ.)
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ Physics of white dwarf stars, D. Koester and G. Chanmugam, Reports on Progress in Physics 53 (1990), pp. 837–915. (англ.)
↑ ¹ ² White dwarfs, Gilles Fontaine and François Wesemael, in Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics, ed. Paul Murdin, Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing and London, New York and Tokyo: Nature Publishing Group, 2001. ISBN 0-333-75088-8. (англ.)
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ Mapping the Instability Domains of GW Vir Stars in the Effective Temperature-Surface Gravity Diagram, Quirion, P.-O., Fontaine, G., Brassard, P., Astrophysical Journal Supplement Series 171 (2007), pp. 219–248. (англ.)
↑ § 1, Detection of non-radial g-mode pulsations in the newly discovered PG 1159 star HE 1429—1209, T. Nagel and K. Werner, Astronomy and Astrophysics 426 (2004), pp. L45–L48. (англ.)
↑ ¹ ² The Extent and Cause of the Pre-White Dwarf Instability Strip, M. S. O’Brien, Astrophysical Journal 532, #2 (April 2000), pp. 1078–1088. (англ.)
↑ ¹ ² SDSS J142625.71+575218.3: A Prototype for a New Class of Variable White Dwarf, M. H. Montgomery et al., Astrophysical Journal 678, #1 (May 2008), pp. L51–L54, DOI:10.1086/588286. (англ.)
↑ Ultrashort-Period Stellar Oscillations. I. Results from White Dwarfs, Old Novae, Central Stars of Planetary Nebulae, 3C 273, and Scorpius XR-1, George M. Lawrence, Jeremiah P. Ostriker, and James E. Hesser, Astrophysical Journal 148, #3 (June 1967), pp. L161–L163. (англ.)
↑ A New Short-Period Blue Variable, Arlo U. Landolt, Astrophysical Journal 153, #1 (July 1968), pp. 151–164. (англ.)
↑ High-Frequency Stellar Oscillations. VI. R548, a Periodically Variable White Dwarf, Barry M. Lasker and James E. Hesser, Astrophysical Journal 163 (February 1971), pp. L89–L93. (англ.)
↑ 58th Name-List of Variable Stars, B. V. Kukarkin, P. N. Kholopov, N. P. Kukarkina, N. B. Perova, Information Bulletin on Variable Stars, #717, September 21, 1972. (англ.)
↑ Bergeron, P.; Fontaine, G On the Purity of the ZZ Ceti Instability Strip: Discovery of More Pulsating DA White Dwarfs on the Basis of Optical Spectroscopy. The Astrophysical Journal. Архивировано из первоисточника 20 июня 2012. (англ.)
↑ Kepler, S.O.; G. Vauclair, R. E. Nather, D. E. Winget, and E. L. Robinson G117-B15A — How is it evolving?. White dwarfs; Proceedings of IAU Colloquium 114th, Hanover, NH, Aug. 15-19, 1988 (A90-32719 13-90). Berlin and New York: Springer-Verlag (1989). Архивировано из первоисточника 20 июня 2012. (англ.)
↑ Hydrogen-driving and the blue edge of compositionally stratified ZZ Ceti star models, D. E. Winget, H. M. van Horn, M. Tassoul, G. Fontaine, C. J. Hansen, and B. W. Carroll, Astrophysical Journal 252 (January 15, 1982), pp. L65–L68. (англ.)
↑ Photometric observations of GD 358: DB white dwarfs do pulsate, D. E. Winget, E. L. Robinson, R. D. Nather, and G. Fontaine, Astrophysical Journal 262 (November 1, 1982), pp. L11–L15. (англ.)
↑ White Dwarf Stars, Steven D. Kawaler, in Stellar remnants, S. D. Kawaler, I. Novikov, and G. Srinivasan, edited by Georges Meynet and Daniel Schaerer, Berlin: Springer, 1997. Lecture notes for Saas-Fee advanced course number 25. ISBN 3-540-61520-2. (англ.)
↑ ¹ ² The 67th Name-List of Variable Stars, P. N. Kholopov, N. N. Samus, E. V. Kazarovets, and N. B. Perova, Information Bulletin on Variable Stars, #2681, March 8, 1985. (англ.)
↑ PG1159-035: A new, hot, non-DA pulsating degenerate, J. T. McGraw, S. G. Starrfield, J. Liebert, and R. F. Green, pp. 377–381 in White Dwarfs and Variable Degenerate Stars, IAU Colloquium #53, ed. H. M. van Horn and V. Weidemann, Rochester: University of Rochester Press, 1979. (англ.)
↑ A Pulsation Mechanism for GW Virginis Variables, Arthur N. Cox, Astrophysical Journal 585, #2 (March 2003), pp. 975–982. (англ.)
↑ An Instability Mechanism for GW Vir Variables, A. N. Cox, p. 786, American Astronomical Society, 200th AAS Meeting, #85.07, in Bulletin of the American Astronomical Society 34 (May 2002). (англ.)
↑ New nonadiabatic pulsation computations on full PG 1159 evolutionary models: the theoretical GW Virginis instability strip revisited, A. H. Córsico, L. G. Althaus, and M. M. Miller Bertolami, Astronomy and Astrophysics 458, #1 (October 2006), pp. 259–267. (англ.)
↑ White dwarf stars with carbon atmospheres, Patrick Dufour, James Liebert, G. Fontaine, and N. Behara, Nature 450, #7169 (November 2007), pp. 522–524, DOI:10.1038/nature06318 (англ.)

dic.academic.ru

происхождение, строение и интересные факты

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 планет. Планеты, 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.

fb.ru

Что такое белый карлик и зачем он уничтожает планеты? | Справка | Вопрос-Ответ

Белый карлик. Фото: Shutterstock.com

Британские учёные из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра в Кембридже обнаружили уничтожающую планету «звезду смерти». Она называется WD 1145+017 и находится в созвездии Девы. В настоящее время этот обнаруженный учёными объект «доедает» экзопланету*, чей размер сопоставим с Церерой**.

«Ничего подобного человечество раньше не видело. Мы наблюдаем за тем, как звезда разрушает свою собственную планетную систему. Теперь у нас есть железное доказательство того, что белые карлики*** действительно периодически уничтожают планеты», — сказал астроном Эндрю Вандербург, участвовавший в исследовании «звезды смерти».

Может ли обнаруженная «звезда смерти» уничтожить Землю?

Нет, объект WD 1145+017 угрозы для нашей планеты не представляет.

А есть такие «звёзды смерти», которые могут уничтожить Землю?

Да, есть. Землю может уничтожить Солнце. Но прежде эта звезда должна потухнуть и стать белым карликом. Ещё до того, как Солнце начнёт уничтожать Землю, на нашей планете жизни уже не будет. Так как звезда выжжет всю её поверхность. Произойти это может через несколько 5-7 миллиардов лет.

Почему белые карлики уничтожают планеты?

Уничтожение планет происходит из-за того, что они попадают под сильное гравитационное воздействие белого карлика, в результате чего их разрывает на части.

Дело в том, что звёзды по мере потухания интенсивно расходуют водород и постепенно начинают сбрасывать внешний слой, при этом образуется планетарная туманность, в центре которой остаётся лишь голое ядро — очень плотный шарик с радиусом всего в одну сотую от радиуса бывшей звезды, но с не намного меньшей массой. Такая большая плотность вещества в белых карликах создаёт мощную гравитацию. Под силой невероятно возросшего притяжения происходит разрушение тех планет, которые оказываются рядом с белым карликом.

*Экзопланета (с др.-греч. ἔξω, exō — вне, снаружи) — планета, которая обращается вокруг звезды, не являющейся Солнцем. На 20 октября 2015 года достоверно подтверждено существование 1970 экзопланет в 1250 планетных системах, из которых в 490 имеется более одной планеты.

**Церера — ближайшая к Солнцу карликовая планета Солнечной системы. Площадь её поверхности составляет 2 849 631 км² (площадь России, для сравнения, составляет 17 125 407 км²).

***Белые карлики — это компактные сверхплотные объекты, в которые превращаются звёзды после потухания. Их масса сравнима или больше массы Солнца, но радиус в 100 раз меньше. Такой тип звёзд имеет небольшую светимость и лишён собственных источников термоядерной энергии.

aif.ru

их рождение, жизнь и смерть [Издание третье, переработанное]

Глава 10 Как устроены белые карлики?

В § 1, когда мы обсуждали физические свойства различных звезд, нанесенных на диаграмму Герцшпрунга — Рессела, было уже обращено внимание на так называемые «белые карлики». Типичным представителем этого класса звезд является знаменитый спутник Сириуса, так называемый «Сириус В». Тогда же подчеркивалось, что эти странные звезды — отнюдь не редкая категория каких-то патологических «уродцев» в нашей Галактике. Наоборот, это весьма многочисленная группа звезд. Их в Галактике должно быть по крайней мере несколько миллиардов, а может быть, и все десять миллиардов, т. е. до 10% всех звезд нашей гигантской звездной системы. Следовательно, белые карлики должны были образоваться в результате какого-то закономерного процесса, который имел место у заметной части звезд. А отсюда следует, что наше понимание мира звезд будет весьма далеким от полноты, если мы не поймем природу белых карликов и не выясним вопроса об их происхождении. Впрочем, в этом параграфе мы не будем обсуждать вопросов, связанных с проблемой образования белых карликов,— это будет сделано в § 13. Наша задача пока что — попытаться понять природу этих удивительных объектов. Основные особенности белых карликов таковы:

a. Масса не слишком отличается от массы Солнца при радиусе, в сотню раз меньшем, чем у Солнца. Размеры белых карликов одного порядка с размерами земного шара.

b. Отсюда следует огромная средняя плотность вещества, доходящая до 10⁶—10⁷ г/см³ (т. е. до десятка тонн, «запрессованных» в кубическом сантиметре!).

c. Светимость белых карликов очень мала: в сотни и тысячи раз меньше солнечной.

При первой же попытке проанализировать условия в недрах белых карликов мы сразу же сталкиваемся с очень большой трудностью. В § 6 была установлена связь между массой звезды, ее радиусом и центральной температурой (см. формулу (6.2)). Так как последняя должна быть обратно пропорциональна радиусу звезды, то центральные температуры белых карликов, казалось бы, должны достигать огромных значений порядка многих сотен миллионов кельвинов. При таких чудовищных температурах там должно было выделяться непомерно большое количество ядерной энергии. Даже если предположить, что весь водород там «выгорел», тройная гелиевая реакция должна быть весьма эффективной. Выделяющаяся при ядерных реакциях энергия обязана «просачиваться» на поверхность и уходить в межзвездное пространство в форме излучения, которое должно было быть исключительно мощным. А между тем светимость белых карликов совершенно ничтожна, на несколько порядков меньше, чем у «обычных» звезд той же массы. В чем тут дело?

Попытаемся разобраться в этом парадоксе.

Прежде всего столь сильное расхождение между ожидаемой и наблюдаемой светимостью означает, что формула (6.2) § 6 попросту неприменима к белым карликам. Вспомним теперь, какие основные допущения были сделаны при выводе этой формулы. Прежде всего предполагалось, что звезда находится в состоянии равновесия под действием двух сил: гравитации и газового давления. Не приходится сомневаться, что белые карлики находятся в состоянии гидростатического равновесия, которое мы подробно обсуждали в § 6. В противном случае за короткое время они перестали бы существовать: рассеялись в межзвездном пространстве, если давление превышало бы гравитацию, либо сжались «в точку», если гравитация не была бы скомпенсирована давлением газа. Не приходится также сомневаться в универсальности закона всемирного тяготения: сила гравитации действует повсеместно и она не зависит ни от каких других свойств вещества, кроме его количества. Тогда остается только одна возможность: усомниться в зависимости газового давления от температуры, которую мы получили с помощью хорошо известного закона Клапейрона.

Этот закон справедлив для идеального газа. В § 6 мы убедились, что вещество недр обычных звезд с достаточной точностью можно считать идеальным газом. Следовательно, логический вывод состоит в том, что очень плотное вещество недр белых карликов уже не является идеальным газом.

Правда, резонно вообще усомниться, является ли это вещество газом? Может быть, это жидкость или твердое тело? Легко убедиться, что это не так. Ведь в жидкостях и твердых телах плотно упакованы атомы, которые соприкасаются своими электронными оболочками, имеющими не такие уж маленькие размеры: порядка 10^-8 см. Ближе чем на такое расстояние атомные ядра, в которых сосредоточена практически вся масса атомов, «придвинуться» друг к другу не могут. Отсюда непосредственно следует, что средняя плотность твердого или жидкого вещества не может значительно превосходить

20 г/см³. Тот факт, что средняя плотность вещества в белых карликах может быть в десятки тысяч раз больше, означает, что ядра там находятся друг от друга на расстояниях, значительно меньших, чем 10^-8 см. Отсюда следует, что электронные оболочки атомов как бы «раздавлены» и ядра отделены от электронов. В этом смысле мы можем говорить о веществе недр белых карликов как об очень плотной плазме. Но плазма — это прежде всего газ, т. е. такое состояние вещества, когда расстояние между образующими его частицами значительно превышает размеры последних. В нашем случае расстояние между ядрами не меньше чем 10^-10 см, в то время как размеры ядер ничтожно малы — порядка 10^-12 см.

Итак, вещество недр белых карликов — это очень плотный ионизованный газ. Однако из-за огромной плотности его физические свойства резко отличаются от свойств идеального газа. Не следует путать это отличие свойств со свойствами реальных газов, о которых достаточно много говорится в курсе физики.

Специфические свойства ионизованного газа при сверхвысоких плотностях определяются вырождением. Это явление находит себе объяснение только в рамках квантовой механики. Классической физике понятие «вырождение» чуждо. Что же это такое? Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется сначала немного остановиться на особенностях движения электронов в атоме, описываемых законами квантовой механики. Состояние каждого электрона в атомной системе определяется заданием квантовых чисел. Эти числа суть главное квантовое число n, определяющее энергию электрона в атоме, квантовое число l, дающее значение орбитального вращательного момента электрона, квантовое число m, дающее значение проекции этого момента на физически выделенное направление (например, направление магнитного поля), и, наконец, квантовое число s, дающее значение собственного вращательного момента электрона (спин). Фундаментальным законом квантовой механики является принцип Паули, запрещающий для любой квантовой системы (например, сложного атома) двум каким-либо электронам иметь все квантовые числа одинаковыми. Поясним этот принцип на простой полуклассической боровской модели атома. Совокупность трех квантовых чисел (кроме спина) определяет орбиту электрона в атоме. Принцип Паули, применительно к этой модели атома, запрещает находиться на одной и той же квантовой орбите более чем двум электронам. Если на такой орбите находятся два электрона, то у них должны быть противоположно ориентированные спины. Это означает, что хотя три квантовых числа у таких электронов могут совпадать, квантовые числа, характеризующие спины электронов, должны быть различны.

Принцип Паули имеет огромное значение для всей атомной физики. В частности, только на основе этого принципа можно понять все особенности периодической системы элементов Менделеева. Принцип Паули имеет универсальное значение и применим ко всем квантовым системам, состоящим из большого числа тождественных частиц. Примером такой системы, в частности, являются обыкновенные металлы при комнатных температурах. Как известно, в металлах внешние электроны не связаны с «собственными» ядрами, а как бы «обобществлены». Они движутся в сложном электрическом поле ионной решетки металла. В грубом, полуклассическом приближении можно представить, что электроны движутся по некоторым, правда, весьма сложным траекториям, И конечно, для таких траекторий тоже должен выполняться принцип Паули. Это означает, что по каждой из упомянутых выше электронных траекторий может двигаться не больше двух электронов, которые должны отличаться своими спинами. Необходимо подчеркнуть, что согласно квантовомеханическим законам число таких возможных траекторий хотя и очень велико, но конечно. Следовательно, далеко не все геометрически возможные орбиты реализуются.

На самом деле, конечно, наше рассуждение является весьма упрощенным. Мы говорили выше о «траекториях» для наглядности. Вместо классической картины движения по траектории квантовая механика говорит только о состоянии электрона, описываемого несколькими совершенно определенными («квантовыми») параметрами. В каждом из возможных состояний электрон имеет некоторую определенную энергию. В рамках нашей модели движения по траекториям принцип Паули можно сформулировать еще так: по одной и той же «дозволенной» траектории могут двигаться с одинаковыми скоростями (т. е. иметь одинаковую энергию) не больше двух электронов.

Применительно к сложным, многоэлектронным атомам принцип Паули позволяет понять, почему у них электроны не «ссыпались» на самые «глубокие» орбиты, энергия которых минимальна. Другими словами, он дает ключ к пониманию строения атома. Точно так же обстоит дело и в случае электронов в металле, и в случае вещества недр белых карликов. Если бы одно и то же количество электронов и атомных ядер заполняло достаточно большой объем, то «для всех хватило бы места». Но представим себе теперь, что этот объем ограничен. Тогда только небольшая часть электронов заняла бы все возможные для их движения траектории, число которых по необходимости ограничено. Остальные электроны должны были бы двигаться по тем же самым траекториям, которые уже «заняты». Но в силу принципа Паули они будут двигаться по этим траекториям с большими скоростями и, следовательно, обладать большей энергией. Дело обстоит совершенно так же, как в многоэлектронном атоме, где из-за того же принципа «избыточные» электроны обязаны двигаться по орбитам с большей энергией.

В куске металла или в каком-нибудь объеме внутри белого карлика число электронов больше числа дозволенных траекторий движения. Иное дело в обычном газе, в частности, в недрах звезд главной последовательности. Там число электронов всегда меньше числа дозволенных траекторий. Поэтому электроны могут двигаться по разным траекториям с различными скоростями, как бы «не мешая» друг другу. Принцип Паули в этом случае не отражается на их движении. В таком газе устанавливается максвеллово распределение скоростей и выполняются хорошо известные из школьной физики законы газового состояния вещества, в частности, закон Клапейрона. Если «обычный» газ сильно сжать, то число возможных траекторий для электронов станет значительно меньше и, наконец, наступит такое состояние, когда на каждую траекторию придется больше двух электронов. В силу принципа Паули эти электроны обязаны иметь различные скорости, превышающие некоторое критическое значение. Если теперь сильно охладить этот сжатый газ, то скорости электронов отнюдь не уменьшатся. В противном случае, как легко понять, принцип Паули перестал бы выполняться. Даже вблизи абсолютного нуля скорости электронов в таком газе оставались бы большими. Газ, обладающий такими необычайными свойствами, называется вырожденным. Поведение такого газа целиком объясняется тем, что его частицы (в нашем случае — электроны) занимают все возможные траектории и движутся по ним «по необходимости» с весьма большими скоростями. В противоположность вырожденному газу скорости движения частиц в «обычном» газе при уменьшении его температуры становятся очень маленькими. В соответствии с этим уменьшается и его давление. Как же обстоит дело с давлением вырожденного газа? Для этого вспомним, что мы называем давлением газа. Это импульс, который частицы газа передают за одну секунду времени при столкновениях некоторой «стенке», ограничивающей его объем. Отсюда ясно, что давление вырожденного газа должно быть очень велико, так как скорости образующих его частиц велики. Даже при очень низких температурах давление вырожденного газа должно оставаться большим, так как скорости его частиц, в отличие от обычного газа, почти не уменьшаются с уменьшением температуры. Следует ожидать, что давление вырожденного газа мало зависит от его температуры, так как скорость движения образующих его частиц определяется прежде всего принципом Паули.

Наряду с электронами в недрах белых карликов должны быть «оголенные» ядра, а также сохранившие «внутренние» электронные оболочки сильно ионизованные атомы. Оказывается, что для них количество «дозволенных» траекторий всегда больше числа частиц. Поэтому они образуют не вырожденный, а «нормальный» газ. Скорости их определяются температурой вещества белых карликов и всегда много меньше, чем скорости электронов, обусловленных принципом Паули. Поэтому в недрах белых карликов давление обусловлено только вырожденным электронным газом. Отсюда следует, что равновесие белых карликов почти не зависит от их температуры.

Как показывают квантовомеханические расчеты, давление вырожденного электронного газа, выраженное в атмосферах, определяется формулой

(10.1)

где постоянная K = 3

10⁶, а плотность выражена, как обычно, в граммах на кубический сантиметр. Формула (10.1) заменяет для вырожденного газа уравнение Клапейрона и является его «уравнением состояния». Характерной особенностью этого уравнения является то, что температура в него не входит. Кроме того, в отличие от уравнения Клапейрона, где давление пропорционально первой степени плотности, здесь зависимость давления от плотности более сильная. Это нетрудно понять. Ведь давление пропорционально концентрации частиц и их скорости. Концентрация частиц, естественно, пропорциональна плотности, а скорость частиц вырожденного газа растет с ростом плотности, так как при этом, согласно принципу Паули, растет количество «избыточных» частиц, вынужденных двигаться с большими скоростями.

Условием применимости формулы (10.1) является малость тепловых скоростей электронов по сравнению со скоростями, обусловленными «вырождением». При очень высоких температурах формула (10.1) должна переходить в формулу Клапейрона (6.2). Если давление, полученное для газа с плотностью

по формуле (10.1), больше, чем по формуле (6.2), значит, газ вырожден. Отсюда получается «условие вырождения»

(10.2)

или

где

— средняя молекулярная масса. Чему же равно в недрах белых карликов? Прежде всего водорода там практически не должно быть: при таких огромных плотностях и достаточно высоких температурах он давно уже «сгорел» при ядерных реакциях. Основным элементом в недрах белых карликов должен быть гелий. Так как его атомная масса равна 4 и он при ионизации дает два электрона (при этом надо учитывать еще, что частицами, производящими давление, там являются только электроны), то средняя молекулярная масса должна быть очень близка к 2. Численно условие вырождения (10.2) записывается так:

(10.3)

Если, например, температура T = 300 К (комнатная температура), то

> 2,5 10^-4 г/см³. Это очень низкая плотность, из которой сразу же следует, что электроны в металлах должны быть вырождены (на самом деле в этом случае постоянные K и имеют другое значение, но суть дела при этом не меняется). Если температура T близка к температуре звездных недр, т. е. около 10 миллионов кельвинов, то > 1000 г/см³. Отсюда сразу же следуют два вывода:

a. В недрах обычных звезд, где плотность хотя и высока, но заведомо ниже 1000 г/см³, газ не вырожден. Это обосновывает применимость обычных законов газового состояния, которыми мы широко пользовались в § 6.

b. У белых карликов средние, а тем более центральные плотности заведомо больше 1000 г/см³. Поэтому обычные законы газового состояния для них неприменимы. Для понимания белых карликов необходимо знать свойства вырожденного газа, описываемые уравнением его состояния (10.1). Из этого уравнения прежде всего следует, что структура белых карликов практически не зависит от их температуры. Так как, с другой стороны, светимость этих объектов определяется, их температурой (например, скорость термоядерных реакций зависит от температуры), то мы можем сделать вывод, что структура белых карликов не зависит и от светимости. В принципе, белый карлик может существовать (т. е. находиться в равновесной конфигурации) и при температуре, близкой к абсолютному нулю. Мы приходим, таким образом, к выводу, что для белых карликов, в отличие от «обычных» звезд, не существует зависимость «масса — светимость».

Для этих необычных звезд, однако, существует специфическая зависимость «масса — радиус». Подобно тому как сделанные из одного какого-либо металла шары равной массы должны иметь равные диаметры, размеры белых карликов с одинаковой массой также должны быть одинаковы. Это утверждение, очевидно, несправедливо для других звезд: звезды-гиганты и звезды главной последовательности могут иметь одинаковые массы, но существенно разные диаметры. Такое отличие белых карликов от остальных звезд объясняется тем, что температура почти не играет никакой роли в их гидростатическом равновесии, которое и определяет структуру.

Рис. 10.1: Зависимость массы белых карликов от их радиуса.

Коль скоро это так, должно быть некоторое универсальное соотношение, связывающее массы белых карликов и их радиусы. В нашу задачу не входит вывод этой важной зависимости, который далеко не является элементарным. Сама зависимость (в логарифмическом масштабе) представлена на рис. 10.1. На этом рисунке кружки и квадратики отмечают положение некоторых белых карликов с известными массами и радиусами. Приведенная на этом рисунке зависимость массы и радиуса для белых карликов имеет две любопытные особенности. Во-первых, из нее следует, что чем больше масса белого карлика, тем меньше его радиус. В этом отношении белые карлики ведут себя иначе, чем шары, выполненные из одного блока металла… Во-вторых, у белых карликов существует предельное допустимое значение массы[ 27 ]. Теория предсказывает, что в природе не могут существовать белые карлики, масса которых превышала бы 1,43 массы Солнца[ 28 ]. Если масса белого карлика приближается к этому критическому значению со стороны меньших масс, то его радиус будет стремиться к нулю. Практически это означает, что начиная с некоторой массы давление вырожденного газа уже не может уравновесить силу гравитации и звезда катастрофически сожмется.

Этот результат имеет исключительно большое значение для всей проблемы звездной эволюции. Поэтому стоит остановиться на нем несколько подробнее. По мере увеличения массы белого карлика его центральная плотность будет все более и более расти. Вырождение электронного газа будет становиться все сильнее. Это значит, что на одну «дозволенную» траекторию будет приходиться все большее число частиц. Им будет очень «тесно» и они будут (дабы не нарушать принцип Паули!) двигаться все с большими и большими скоростями. Эти скорости станут довольно близкими к скорости света. Возникнет новое состояние вещества, которое называется «релятивистским вырождением». Уравнение состояния такого газа изменится — оно уже не будет больше описываться формулой (10.1). Вместо (10.1) будет иметь место соотношение

(10.4)

Для оценки создавшейся ситуации положим, как это делалось в § 6,

M/R³. Тогда при релятивистском вырождении P M^4/3/R⁴, а сила, противодействующая гравитации и равная перепаду давления,

Между тем сила гравитации равна

GM/R² M²/R⁵. Мы видим, что обе силы — гравитация и перепад давления — зависят от размеров звезды одинаковым образом: как R^-5, и по-разному зависят от массы. Следовательно, должно существовать некоторое, совершенно определенное значение массы звезды, при котором обе силы уравновешиваются. Если же масса превышает некоторое критическое значение, то сила гравитации всегда будет преобладать над силой, обусловленной перепадом давления, и звезда катастрофически сожмется.

Допустим теперь, что масса меньше критической. Тогда сила, обусловленная давлением, будет больше гравитационной, следовательно, звезда начнет расширяться. В процессе расширения релятивистское вырождение сменится обычным «нерелятивистским» вырождением. В этом случае из уравнения состояния P

^5/3 следует, что P/R M^5/3/R⁶, т. е. зависимость силы, противодействующей гравитации, от R будет более сильной. Поэтому при некотором значении радиуса расширение звезды прекратится.

Этот качественный анализ иллюстрирует, с одной стороны, необходимость существования зависимости масса — радиус для белых карликов и ее характер (т. е. то, что радиус тем меньше, чем больше масса), а, с другой стороны, обосновывает существование предельной массы, что является следствием с неизбежностью наступающего релятивистского вырождения. До каких пор могут сжиматься звезды с массой, большей, чем 1,2 солнечной массы? Эта увлекательная, ставшая в последние годы весьма актуальной, проблема будет обсуждаться в § 24.

Вещество недр белых карликов отличается высокой прозрачностью и теплопроводностью. Хорошая прозрачность этого вещества опять-таки объясняется принципом Паули. Ведь поглощение света в веществе связано с изменением состояния электронов, обусловленном их переходами с одной орбиты на другую. Но если подавляющее большинство «орбит» (или «траекторий») в вырожденном газе «занято», то такие переходы весьма затруднены. Только очень немногие, особенно быстрые электроны в плазме белого карлика могут поглощать кванты излучения. Теплопроводность вырожденного газа велика — тому примером служат обыкновенные металлы. По причине очень высоких прозрачности и теплопроводности в веществе белого карлика не могут возникать большие перепады температуры. Почти весь перепад температуры, если двигаться от поверхности белого карлика к его центру, происходит в очень тонком, наружном слое вещества, который находится в невырожденном состоянии. В этом слое, толщина которого порядка 1% от радиуса, температура возрастает от нескольких тысяч кельвинов на поверхности примерно до десяти миллионов кельвинов, а затем вплоть до центра звезды почти не меняется.

Рис. 10.2: Эмпирическая зависимость светимости белых карликов от их температуры.

Белые карлики хотя и слабо, но все-таки излучают. Что является источником энергии этого излучения? Как уже подчеркивалось выше, водорода, основного ядерного горючего, в недрах белых карликов практически нет. Он почти весь выгорел на стадиях эволюции звезды, предшествовавших стадии белого карлика. Но, с другой стороны, спектроскопические наблюдения с очевидностью указывают на то, что в самых наружных слоях белых карликов водород имеется. Он либо не успел выгореть, либо (что более вероятно) попал туда из межзвездной среды. Не исключено, что источником энергии белых карликов могут быть водородные ядерные реакции, происходящие в очень тонком сферическом слое на границе плотного вырожденного вещества их недр и атмосферы. Кроме того, белые карлики могут поддерживать довольно высокую температуру своей поверхности путем обычной теплопроводности. Это означает, что не имеющие источников энергии белые карлики остывают, излучая за счет запасов своего тепла. А эти запасы весьма солидны. Так как движения электронов в веществе белых карликов обусловлены явлением вырождения, запас тепла в их недрах содержится в ядрах и ионизованных атомах. Полагая, что вещество белых карликов состоит в основном из гелия (атомный вес равен 4), легко найти количество тепловой энергии, содержащейся в белом карлике:

(10.5)

где m_H — масса атома водорода, k — постоянная Больцмана. Время охлаждения белого карлика можно оценить, поделив E _T на его светимость L. Оно оказывается порядка нескольких сотен миллионов лет.

На рис. 10.2 для ряда белых карликов приведена эмпирическая зависимость светимости от поверхностной температуры. Прямые линии суть геометрические места постоянных радиусов. Последние выражены в долях солнечного радиуса. Похоже на то, что эмпирические точки хорошо укладываются вдоль этих прямых. Это означает, что наблюдаемые белые карлики находятся на разных стадиях остывания.

В последние годы для десятка белых карликов было обнаружено сильное расщепление спектральных линий поглощения, обусловленное эффектом Зеемана. Из величины расщепления следует, что напряженность магнитного поля на поверхности этих звезд достигает огромного значения порядка десяти миллионов эрстед (Э). Столь большое значение магнитного поля, по-видимому, объясняется условиями образования белых карликов. Например, если предположить, что без существенной потери массы звезда сжимается, можно ожидать, что магнитный поток (т. е. произведение площади поверхности звезды на напряженность магнитного поля) сохраняет свое значение. Отсюда следует, что напряженность магнитного поля по мере сжатия звезды будет расти обратно пропорционально квадрату ее радиуса. Следовательно, она может вырасти в сотни тысяч раз. Этот механизм увеличения магнитного поля особенно важен для нейтронных звезд, о чем будет идти речь в § 22[ 29 ]. Интересно отметить, что большинство белых карликов не имеет поля более сильного, чем несколько тысяч эрстед. Таким образом, «намагниченные» белые карлики образуют особую группу среди звезд этого типа.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

fis.wikireading.ru

Белый карлик это – БЕЛЫЙ КАРЛИК — это… Что такое БЕЛЫЙ КАРЛИК?