Содержание

Белый карлик - результат эволюции звезд, его плотность и температура, цвет и размеры, возможно ли превращение или взрыв Солнца или Сириуса

Во Вселенной, помимо молодых звезд видимого спектра, существует огромное количество звезд, горящих едва заметным тусклым светом. Это белые карлики – звезды, прошедшие практически полный цикл эволюции, звездная карьера которых катится к закату.

Белый карлик

Что представляют собой белые карлики?

Неопределенность оценки звездного населения нашей галактики объясняется техническими трудностями обнаружения объектов. Заглянуть вглубь космоса мешают огромные массивы звездного газа и космической пыли, туманности и скопления, населяющие рукава галактики Млечный путь.

В те годы, когда техника не позволяла детально изучать космическое пространство, белые карлики считались редким явлением. Однако сегодня человечество вооружено до зубов мощнейшими телескопами, которые могут заглянуть в глубины космоса под иным спектром. В среднем, пространственная плотность белых карликов составляет 100 звезд на сферу космического пространства диаметром 60 световых лет. В нашей галактике существует до полутора тысяч подобных объектов.

Галактика Млечный путь, белые карлики

Полторы тысячи — это довольно много, учитывая возраст Вселенной. Т.е. за 13-14 млрд. лет в пределах галактики Млечный путь внушительное количество звезд уже находится в преклонном возрасте, ожидая своей дальнейшей участи. Если брать в расчет сотни, десятки сотен других галактик, то это число соответственно многократно увеличится. Учитывая небольшие размеры, которые свойственны таким звездам, то в действительности их может оказаться значительно больше.

Эволюция звезд

Белый карлик -это звезда по размерам равная планете Земля, однако масса такой звездочки в сто тысяч раз больше массы нашей голубой планеты. Как правило, масса белого карлика варьируется в диапазоне 0,6-1,44 солнечных масс. Для этой категории звезд характерным является зависимость «масса-радиус». Чем больше масса стареющей звезды, тем меньше ее размеры. Из школьного курса астрономии известно, что белые карлики являются обнажившимся ядром звезды, которая сбросила верхний слой звездной материи. По факту такое ядро имеет небольшие размеры, является горячим. Низкая светимость есть доказательство отсутствия у этого небесного тела термоядерных реакций. Да и откуда им взяться! За миллиарды лет существования звезды, ее запасы водорода – основного звездного топлива — исчерпались. Основными компонентами белого карлика теперь стали не водород и гелий, а углерод и кислород. Плотность такого обнажившегося ядра колоссальна и составляет 10⁶-10⁷ г/см³.

Такая высокая плотность обусловлена чудовищным давлением. Остаточная материя пребывает в состоянии гравитационного баланса, который создается сочетанием массы и размеров объекта.

Остывающий белый карлик

Отсутствие ядерных реакций приводит к тому, что звезда начинает медленно остывать. Интенсивность излучения падает сравнительно медленно, на 1-2% за сотни лет. Процесс остывания сильно растянут по времени и может продлиться триллионы лет, прежде чем звезда исчезнет в космическом пространстве как материальное тело. Температура звезды, только что перешедшей в категорию пенсионеров, на поверхности довольно высокая — 100-200 тыс. Кельвина. Для старых белых карликов температура на поверхности уже достаточно низкая — 5000К.

Солнце также ожидает подобная судьба. Через 5-6 млрд. лет наше главное светило неизбежно истратит весь запас водорода и гелия, уйдя на пенсию в статусе белого карлика.

История открытия белых карликов

Современная наука о звездах обрела свои реальные очертания только в середине XX века. Уже в начале 30-х годов ученые-астрофизики могли свободно рассчитать параметры любой наблюдаемой звезды: ее светимость, размеры и температуру. На этом фоне явно выделялся один объект, который портил всю стройную картину — звезда 40 Эридана В, обнаруженная еще в далеком 1783 году известным астрономом Уильямом Гершелем. В отличие от привычных звезд для этого светила было характерно явное несоответствие: небольшие размеры, низкая светимость и высокая температура. Подобные факты шли в разрез со всеми существующими законами физики. Со временем удалось обнаружить еще несколько подобных объектов, одним из которых стал Сириус В. Да, именно Сириус В – скромная маленькая звездочка, пребывающая в тени своей ослепительной соседки Сириуса.

Вильгельм Бессель

Поводом к открытию стало наблюдением за поведением Сириуса, которое проводил немецкий астроном Вильгельм Бессель. Ему удалось обнаружить неестественное для звезды движение. Сириус двигался в космическом пространстве по синусоиде. Долгие годы ученый ломал голову над этой загадкой, пока не пришел к выводу, что рядом с Сириусом расположена другая звезда, небольшая и едва заметна. Именно ее гравитационные силы воздействуют на поведение Сириуса. Позже, в 1862 году А. Кларку удалось с помощью мощного оптического телескопа обнаружить невзрачного соседа Сириуса. Таким образом, выяснилось, что предсказания и расчеты Бесселя оказались правильными.

Наблюдение за Сириусом

Уже в XX веке удалось выяснить, что «двойник Сириуса» имеет температуру 25000К выше, чем у самой яркой звезды. Небольшие размеры столь горячего тела наталкивали ученых на мысль, что причина такого состояния — высокая плотность объекта. Это открытие в корне перевернуло всю устоявшуюся теорию о происхождении звезд. Появился новый и важный элемент в эволюции звездного населения галактик Вселенной. Наука получила в свои руки доказательства природы старения звезд.

Физика процесса

По сути, белые карлики являются огарками звезд, утративших свою жизненную силу и энергию. В отличие от обычных желтых карликов, где звездная материя пребывает в равновесии, белые карлики лишены такого устойчивого баланса. Для того, чтобы силы внутренней гравитации могли противостоять внешнему воздействию, нужно иметь мощные источники внутренней энергии. В противном случае, теряя часть своей материи, звезда быстро бы разрушилась под воздействием гравитации. Внутренним источником энергии является реакция термоядерного синтеза, в ходе которой водород превращается в гелий. Запасы водорода определяются массой звезды, соответственно от этого зависит и длительность термоядерных реакций. Как только водородное топливо выгорает, звездная материя утрачивает равновесие. Под действием собственной силы тяжести звезда начинает стремительно сжиматься, превращаясь из огромного красного гиганта в маленький белый карлик.

Процесс охлаждения белого карлика

С точки зрения квантовой физики этот процесс можно объяснить следующим образом. Атомы начинают сжиматься, теряя внутренние энергетические связи. Увеличившаяся плотность объединяет электроны в новую субстанцию — вырожденный электронный газ. В таком состоянии электроны плотно взаимодействуют друг с другом, противодействуя силам гравитационного сжатия. Образуется так называемое голое ядро, которое не имеет ни внешней оболочки, ни короны.

На этом этапе эволюции звезд решающая роль принадлежит квантовым свойствам элементарных частиц. Этому способствует такое явление, как вырожденное давление, возникающее в результате сильнейшего сжатия материи в недрах небесного тела. Процесс гравитационного сжатия у белого карлика не возникает на пустом месте. Это происходит постепенно до тех пор, пока расстояние между ядрами атомов не уменьшится до размеров радиуса электронов. Дальнейшее сжатие невозможно, так как оболочка электронов уже не подвержена физическим изменениям. В таком состоянии электроны двигаются хаотично, теряя связь с ядрами. Такая квантовая механика характерна для внутреннего строения металлов, где кинетическая энергия перерастает в тепловую и распределяется от внутренних областей к поверхности, поэтому можно утверждать, что белый карлик напоминает раскаленный кусок металла.

Электронный вырожденный газ

Для электронного газа характерна одна особенность. В процессе сжатия скорость электронов постоянно растет. Самые быстрые электроны стремятся занять любое освободившиеся место, тем самым уменьшая объем газовой субстанции. По мере приближения к поверхности ядра вырожденное давление ослабевает, что приводит к снижению температуры стареющей звезды. Здесь процесс ионизации атомов еще только начинается, поэтому звездная материя пребывает в обычном газообразном состоянии.

Строение белых карликов

Природа процессов, протекающих в недрах стареющей звезды, отражается на ее строении. Первым отличительным признаком белого карлика является его атмосфера. Анализируя данные оптических наблюдений, напрашивается вывод: толщина атмосферного слоя у такой звезды составляет всего несколько сотен метров. Судя по составу спектра, каждый из таких объектов имеет свой химический состав. В связи с этим, белые карлики делятся на два типа:

  • горячие звезды;
  • холодные звезды.

Для первого типа основными компонентами являются ограниченное количество водорода (не более 0,05%), гелий, углерод, кальций, железо и титан (звездный металл). Горячие белые карлики имеют температуру 50000К. Для второго типа белых карликов основным компонентом является гелий. Атомов водорода в таких звездах один на миллион. Холодные карлики разогреты в десятки раз меньше, всего до отметки 5000К. Первые «водородные» белые карлики относятся к спектральному классу DA, вторые  — «гелиевые» — относятся к белым карликам типа DB.

Строение белого карлика

Атмосфера белого карлика покрывает область оставшейся невырожденной материи, в которой присутствует ограниченное количество свободных электронов. Этот слой имеет толщину в 150-170 км, занимая 1% радиуса стареющей звезды. Толщина слоя невырожденной материи может меняться по мере старения объекта, однако размер звезды остается тем же. В таком состоянии белый карлик может находиться до самой своей кончины. Окончательные размеры белых карликов определятся его массой. Как и в случае с минимальной предельной массой, существует критический порог размеров подобных объектов.

Ученые допускают минимально возможный радиус для белых карликов в 10 тыс. км.

Минимальный размер белого карлика

Под слоем невырожденной материи начинается царство релятивистского вырожденного электронного газа, который представляет собой изотермически выделенную субстанцию. Температура здесь постоянная по всем направлениям и составляет миллионы градусов Кельвина. Тепловая энергия передается от внутренних областей звезды к поверхности, излучаясь в окружающее космическое пространство. Подобные процессы не позволяют телу светиться ярким светом. Основной поток тепловой энергии представлен рентгеновским излучением.

Судьба белого карлика

Каждая звезда, подобная нашему Солнцу, закончит свои дни в статусе белого карлика. Этот этап в жизни звезды будет блеклым, невзрачным и в то же время достаточно долгим. В конечном итоге белый карлик умрет. Сегодня, по мнению ученых, возраст Вселенной не позволяет говорить о том, что в ее глубинах уже имеются черные, мертвые карлики. Существует теория, что количество белых карликов увеличивается с постоянной величиной. В силу малой изученности космоса, мы не можем говорить о точном количестве подобных объектов. Допускается версия, что белых карликов во Вселенной значительно больше. Интересно другое. Какие звезды становятся белыми карликами, а какие нет?

Черный карлик

В научной среде нет единого мнения о природе белых карликов. Считается, что половина всех существующих подобных объектов в космическом пространстве возникает в процессе эволюции обычных звезд главной последовательности, тогда как другая половина возникает в недрах планетарных туманностей. Точных данных о природе возникновения белых карликов на сегодняшний момент нет. Основные версии и теории базируются на моделях, создаваемых путем логических умозаключений.

Белый карлик планетарная туманность

Несмотря на всю сложность существующего вопроса, точно известно одно. Все звезды, массивные, сверхмассивные и обычные в процессе своего существования неизбежно растрачивают часть своей звездной материи.

Для нашего Солнца тоже уготована судьба стать белым карликом. Сначала медленная старость, которая завершиться тихой смертью звезды в просторах Вселенной. Светила, масса которых вдвое превышает солнечную массу, идут по другому пути эволюции. Утратив устойчивость, такая звезда на финальной стадии может взорваться, озарив космос вспышкой сверхновой, и превратиться в небольшой нейтронный шарик.

Эволюция звезд – это процесс, который протекает вне зависимости от нашего существования. Рождение человеческой цивилизации, гибель ее будут протекать в те периоды, когда наше Солнце еще будет далеко от своего финала. Солнце может погубить нас еще в статусе красного гиганта, испепелив Землю до состояния уголька. До того момента, когда в пределах видимости наших оптических приборов появится новый белый карлик, пройдет бесконечно много времени.

comp-pro.ru

Что такое белые карлики ?

Белый карлик — это одна из последних стадий развития звезды главной последовательности.

Ну, а главная последовательность — это последовательность состояний, которые проходит большинство звёзд за свою жизнь. По современным представлениям это происходит так.

Если звезда изначально не слишком велика и не слишком мала, то она рождается жёлтым карликом, таким, как наше Солнце. В ней водород превращается в гелий, и она светит бело-жёлтым светом. При этом давление излучения поддерживает её размер порядка солнечного.

Потом водород кончается, и в звезде начинаются реакции с участием более тяжёлых элементов. Эти реакции проходят очень бурно, но недолго. В это время звезда раздувается в тысячи раз, и за счёт этого её поверхность охлаждается. Она превращается в красного гиганта вроде Альдебарана или Бетельгейзе.

Потом (очень скоро) в звезде остаются только те элементы, которые сами уже не могут поддерживать термоядерную реакцию. В результате гравитация уже не уравновешивается давлением излучения, и звезда сжимается до очень маленького размера. При этом она сильно нагревается, а поверхность её уменьшается, и звезда начинает светиться бело-голубым. Вот тогда её и называют белым карликом.

Дальше ей ничего не остаётся делать, кроме как медленно остывать, превращаясь в красного карлика.

Ну, а потом её и вовсе становится не видно, и мы считаем, что звезда скончалась 🙁

Такой жизненный цикл звёзды и называется, как уже было сказано, главной последовательностью.

===
Не все звёзды принадлежат главной последовательности. Если начальная масса слишком мала, то рождается бурый карлик. В нём термоядерная реакция по-настоящему так и не начинается, и он тускло светит в основном за счёт разогрева от гравитационного сжатия. Напротив, если начальная масса слишком велика, рождается голубой гигант. Его жизнь коротка и кончается грандиозным взрывом. В результате от него остаётся нейтронная звезда, как в центре Крабовидной туманности, или даже чёрная дыра.

Но это уже совсем другая история.

otvet.mail.ru

Белые карлики - «Энциклопедия»

БЕЛЫЕ КАРЛИКИ, компактные звёзды с массами порядка массы Солнца (М?) и радиусами, примерно в 100 раз меньшими, чем радиус Солнца. Средняя плотность вещества белых карликов 108-109 кг/м3. Белые карлики составляют несколько процентов всех звёзд Галактики. Многие белые карлики входят в двойные звёздные системы. Первой звездой, отнесённой к белым карликам, был Сириус В (спутник Сириуса), открытый американским астрономом А. Кларком в 1862 году. В 1910-е годы белые карлики выделены в особый класс звёзд; их название связано с цветом первых представителей этого класса.

Имея массу звезды и размер небольшой планеты, белый карлик обладает колоссальным притяжением вблизи своей поверхности, которое стремится сжать звезду. Но она сохраняет устойчивое равновесие, поскольку гравитационным силам противостоит давление вырожденного газа электронов: при высокой плотности вещества, характерной для белых карликов, концентрация практически свободных электронов в нём столь велика, что, согласно принципу Паули, они обладают большим импульсом. Давление вырожденного газа практически не зависит от его температуры, поэтому при остывании белый карлик не сжимается.

Реклама

Чем больше масса белого карлика, тем меньше его радиус. Теория указывает для белых карликов верхний предел массы около 1,4М? (так называемый Чандрасекара предел), превышение которого приводит к гравитационному коллапсу. Наличие такого предела обусловлено тем, что по мере роста плотности газа скорость электронов в нём приближается к скорости света и далее возрастать не может. В результате давление вырожденного газа уже не способно противостоять силе тяготения.

Белые карлики образуются в конце эволюции обычных звёзд с начальной массой менее 8М? после исчерпания ими запаса термоядерного горючего. В этот период звезда, пройдя через стадию красного  гиганта и планетарной туманности, сбрасывает свои внешние слои и обнажает ядро, имеющее очень высокую температуру. Постепенно остывая, ядро звезды переходит в состояние белого карлика, продолжая ещё долго светить за счёт запасённой в недрах тепловой энергии. С возрастом светимость белого карлика падает. При возрасте около 1 миллиарда лет светимость белого карлика в тысячу раз ниже солнечной. Температуpa поверхности у изученных белых карликов лежит в диапазоне от 5·103 до 105 К.

У некоторых белых карликов обнаружена оптическая переменность с периодами от нескольких минут до получаса, объясняемая проявлением гравитационных нерадиальных колебаний звезды. Анализ этих колебаний методами астросейсмологии позволяет изучать внутреннее строение белых карликов. В спектрах около 3% белых карликов наблюдается сильная поляризация излучения или зеемановское расщепление спектральных линий, что указывает на существование у них магнитных полей индукцией 3·104-109 Гс.

Если белый карлик входит в тесную двойную систему, то существенный вклад в его светимость может давать термоядерное горение водорода, перетекающего с соседней звезды. Это горение часто носит нестационарный характер, что проявляется в виде вспышек новых и новоподобных звёзд. В редких случаях накопление водорода на поверхности белого карлика приводит к термоядерному взрыву с полным разрушением звезды, наблюдаемому как вспышка сверхновой.

Лит.: Блинников С. И. Белые карлики. М., 1977; Шапиро С., Тьюколски С. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды: В 2 часть М., 1985.

С. И. Блинников. 

knowledge.su

Белый карлик. Эволюция звезд

Белый карлик это…

Содержание статьи:

Белый карлик — тип звезды, сравнимой по величине с Землей, но, по массе соизмеримой с Солнцем. В следствии чего, плотность ее необычайно велика и превышает плотность любого земного вещества. Поэтому нормальная атомная структура совершенно разрушена, и электроны с ядрами плотно упакованы. Масса белого карлика не превышает 1,4 масс Солнца (предел Чандрасекара). Белый карлик по размерам равный нашей планете, но масса такой звезды в 100 000 раз больше массы нашей Земли.

При больших массах гравитационная сила превысит давление электронов, и произойдет коллапс звезды под собственной тяжестью, отчего возникает нейтронная звезда или черная дыра. У белых карликов низкая яркость, они постепенно остывают, становятся холодными, темными объектами. Они представляют из себя заключительную стадию эволюции звезды с малой массой, после того, как звезда лишается наружного слоя. Число таких звезд в Галактике Млечный путь составляет от 3 до 10 % и значительная их часть входит в состав двойных звезд.


Происхождение белых карликов

Если звезда довольно массивная, стадия красного гиганта завершается колоссальным взрывом, во время которого звезда может ненадолго сверкнуть светом, который во много миллиардов раз более яркий, чем свет обычных звезд, короткой вспышкой, равной свету целой галактики невзрывающихся звезд. Это так называемая «сверхновая». В процессе такого взрыва до 95 % вещества звезды может вырваться в открытый космос. Остальное будет сжиматься.

Что же может произойти со сжимающейся звездой, которая не взрывается, или с той частью взорвавшейся звезды, которая осталась и сжимается? Если это не большая звезда, которая так и не нагреется в процессе сжатия достаточно для того, чтобы взорваться, она будет сжиматься до тех пор, пока не достигнет планетарного размера, при этом сохраняя всю или почти всю первоначальную массу. Ее раскаленная добела, ярко сверкающая поверхность окажется в значительной степени горячей, чем поверхность нашего Солнца. Однако на большом расстоянии очертания такой звезды будут неотчетливые, потому как свет излучается очень маленькой поверхностью и в целом не достигает достаточного количества. Такая звезда называется «белым карликом».

Почему белый карлик светится?

Термоядерные реакции в этом случае исключаются. Внутри белого карлика нет водорода, который поддерживал бы этот механизм генерации энергии.

Единственный вид энергии, которая имеется у белого карлика, — это тепловая энергия. Ядра атомов пребывают в беспорядочном движении, так как они рассеиваются вырожденным электронным газом. Постепенно движение ядер становится медленнее, что эквивалентно процессу охлаждения. Электронный газ, который не похож не на один из известных на нашей планете газов, отличается исключительной теплопроводностью, и электроны проводят тепловую энергию к поверхности, где через атмосферу эта энергия излучается в космос.

Эволюция белых карликов

В большинстве своем белые карлики являются одним из завершающих этапов эволюции нормальных, не слишком массивных звезд. Звезда, которая исчерпала запасы ядерного горючего, переходит в стадию красного гиганта, теряя часть вещества, превращается в белого карлика. Причем наружная оболочка — нагретый газ — разлетается в космосе и с Земли ее можно наблюдать как туманность. За сотни тысяч лет такого рода туманности рассеиваются в пространстве, а их плотные ядра, белые карлики, со временем остывают как раскаленный кусок металла, очень медленно, потому как его поверхность мала. С течением времени они должны превратиться в коричневые (черные) карлики — сгустки материи с температурой окружающей среды. Правда, согласно расчетам, на это может уйти множество миллиардов лет.

Вероятно, что открытие коричневых карликов затрудняется их слабым свечением. Один из коричневых карликов расположен в созвездии Гидры. Уникальность открытия заключается в том, что раньше найденные коричневые карлики входили в двойные системы, именно потому их и могли обнаружить, а этот — одиночный. Его удалось отыскать лишь благодаря близости к Земле: до него всего 33 световых года.

Предположительно, нынешние коричневые карлики — это не остывшие белые (очень мало времени прошло), а «недоразвившиеся» звезды. Как известно, звезды зарождаются из газопылевого облака, при этом одно облако порождает несколько звезд различной массы. Если сжимающийся сгусток газа имеет массу в 10-100 раз меньше солнечной, образуются коричневые карлики. Они весьма сильно разогреваются силами гравитационного сжатия и излучают в инфракрасном диапазоне. Ядерных реакций в коричневых карликах нет.

История открытия белых карликов

Белых карликов во Вселенной много. Одно время их считали редкостью, однако внимательное изучение фотопластинок, полученных в обсерватории Маунт-Паломар (Америка), показывает, что их количество превышает 1500. Получилось оценить пространственную плотность белых карликов: как оказалось, в сфере с радиусом в 30 световых лет должно находиться около 100 таких звезд.

Первый открытый белый карлик — звезда 40 Эридана B в тройной системе 40 Эридана, которая еще в 1785 г. Уильямом Гершелем была включена в каталог двойных звезд. 1910 год — Генри Норрис Расселл обратил внимание на аномально низкую светимость 40 Эридана B при ее высокой цветовой температуре, что со временем и послужило выделению такого рода звезд в отдельный класс белых карликов.

Второй и третий открытый белый карлик — Сириус B и Процион B. Фридрих Вильгельм Бессель, наблюдая за движением наиболее яркой звезды Сириус, открыл, что ее путь является не прямой линией, а имеет волнообразный характер. Собственное движение звезды проходило не по прямой линии; казалось, что она еле заметно смещается из стороны в сторону. К 1844 году, примерно через 10 лет после первых наблюдений Сириуса, Бессель пришел к выводу, что рядом с Сириусом находится вторая звезда, которая, будучи невидимой, оказывает на Сириус гравитационное воздействие; оно обнаруживается по колебаниям в движении Сириуса. Еще более любопытным оказалось то обстоятельство, что если темный компонент в действительности существует, то период обращения обеих звезд относительно их общего центра тяжести равен примерно 50 лет.

Белые карлики в двойных системах

Белые карлики входят и в состав двойных систем, звезды-компоненты которых сближены до такой степени, что обмениваются веществом. В таком случае массивный плотный карлик станет перетягивать на себя вещество «напарника».

Водород, который попал от соседской звезды на горячую поверхность карлика, разогревается до температуры, при которой начинается термоядерный синтез. Тогда можно наблюдать вспышку, называемую новой звездой.

Если же при попадании водорода на карлик его масса превысит предел Чандрасекара, произойдет коллапс, сопровождающийся взрывом сверхновой типа Ia. Наблюдение за такими сверхновыми в далеких галактиках представляет большой интерес, потому как по яркости вспышек, имеющих одинаковые характеристики, устанавливается расстояние до галактик.

Сжаться до белого карлика

В белом карлике атомы расщеплены, и электроны, которые уже не образуют оболочек вокруг центральных атомных ядер, являются своего рода «электронным газом», способным сжаться лишь до определенного уровня. Он сохраняет вещество звезды расширенным по крайней мере до планетарного объема и способен сохранять этот объем неопределенное время.

Белые карлики довольно медленно охлаждаются и заканчивают свою жизнь слишком холодными для того, чтобы излучать свет, они становятся «черными карликами».

Сжимаясь до белого карлика, звезда может, если она не очень маленькая, расстаться с внешними слоями своего красного гиганта умеренным взрывом при незначительном сжатии, теряя так пятую часть своей общей массы. Наблюдаемый с расстояния, такой белый карлик представляется окруженным светящимся туманом, словно кольцом дыма. Такой объект называют «планетарной туманностью», в небе их наблюдается несколько. Постепенно газовое облако расходится во всех направлениях, становится расплывчатым и растворяется в разреженной материи космоса.

Когда звезда довольно массивная, чтобы сильно взорваться в ходе сжатия, ее остаток, который продолжает сжиматься, может быть все еще слишком массивным (не смотря на потерю значительной массы), чтобы сразу превратиться в белого карлика. Чем массивней сжимающийся остаток, тем плотней сжимается самим собой электронный газ и тем меньше белый карлик.

Наконец, если есть достаточная масса, электронный газ может не выдерживать своего же давления. Электроны в таком случае вжимаются в протоны, присутствующие в ядрах, которые блуждают в электронном газе, и образуются нейтроны. Они добавляются к нейтронам, уже существующим в ядрах, и тогда звезда состоит в большинстве своем из нейтронов. Звезда сжимается, пока нейтроны не придут в контакт. В результате получается «нейтронная звезда», которая величиной всего с астероид примерно 10-20 километров в поперечнике, но сохраняет массу полноразмерной звезды.

Если сжимающийся остаток звезды еще более массивен, даже нейтроны не способны выдерживать силу гравитации. Они будут разрушены, а остаток сожмется в черную дыру.

Виды белых карликов

Спектрально их разделяют на два вида. Излучение белого карлика делят на наиболее распространенный «водородный» спектральный класс DA (до 80% от общего количества), в котором нет спектральных линий гелия, и более редкостный «гелиевый белый карлик» тип DB, в спектрах звезд которого нет водородных линий.

Астроном Ико Ибен (США) предложил разные сценарии их происхождения: потому что горение гелия в красных гигантах неустойчивое, периодично развивается слоевая гелиевая вспышка. Он удачно предположил механизм сброса оболочки в различные стадии развития гелиевой вспышки – на ее пике и в периоды между двумя вспышками. Образование его зависит от механизма сброса оболочки соответственно.

 

 

;

 


 

ред. shtorm777.ru

ПОХОЖИЕ ЗАПИСИ

shtorm777.ru

Белый карлик | Наука | FANDOM powered by Wikia


Бе́лые ка́рлики — 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[1] и, соответственно, болометрическими светимостями в ~10 000 раз меньшими солнечной. Средняя плотность вещества белых карликов в пределах их фотосфер 105—109 г/см³[1], 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.

    История открытия Править

    Файл:Sirius movement.svg

    Открытие белых карликов Править

    Первым открытым белым карликом[3] стала звезда 40 Эридана B в тройной системе 40 Эридана, которую ещё в 1785 году Вильям Гершель включил в каталог двойных звёзд[4]. 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[5]. 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.[6] 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[7] ещё один белый карлик — звезду ван Маанена в созвездии Рыб.

    В 1922 году Виллем Якоб Лейтен предложил называть такие звёзды «белыми карликами».[8]

    Парадокс плотности Править

    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[9]:

    «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)[10] 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)[10].

    Следующим этапом в объяснении природы белых карликов стали работы Якова Френкеля, Э. Стоунера ruen и Чандрасекара.[11] 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.[12] 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)[13] (предел Чандрасекара) и независимо от него в 1932 году Л. Д. Ландау[11].

    Происхождение белых карликов Править

    Решение Фаулера объяснило внутреннее строение белых карликов, но не прояснило механизм их происхождения. В объяснении генезиса белых карликов ключевую роль сыграли две идеи: мысль астронома Эрнста Эпика, что красные гиганты образуются из звёзд главной последовательности в результате выгорания ядерного горючего, и предположение астронома Василия Фесенкова, сделанное вскоре после Второй мировой войны, что звёзды главной последовательности должны терять массу, и такая потеря массы должна оказывать существенное влияние на эволюцию звёзд. Эти предположения полностью подтвердились.

    Тройная гелиевая реакция и изотермические ядра красных гигантов Править

    Файл:Solar-type Red Giant structure RU.JPG

    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:

    $ {}^{4}_{2}\textrm{He} + {}^{4}_{2}\textrm{He} \rightarrow {}^{8}_{4}\textrm{Be} $

    Бо́льшая часть 8Be снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении 8Be с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода 12C:

    $ {}^{8}_{4}\textrm{Be} + {}^{4}_{2}\textrm{He} \rightarrow {}^{12}_{6}\textrm{C} $ + 7,3 МэВ.

    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, так, для диапазона температур $ T $ ~1—2×108 К энерговыделение $ \varepsilon _{3\alpha } $:

    $ \varepsilon _{3\alpha } = 10^8 \rho ^2 Y^3 *\left( {{T \over {10^8 }}} \right)^{30} $

    где $ Y $ — парциальная концентрация гелия в ядре (в рассматриваемом случае «выгорания» водорода близка к единице).

    Следует, однако, отметить, что тройная гелиевая реакция характеризуется значительно меньшим энерговыделением, чем цикл Бете: в пересчёте на единицу массы энерговыделение при «горении» гелия более чем в 10 раз ниже, чем при «горении» водорода. По мере выгорания гелия и исчерпания источника энергии в ядре возможны и более сложные реакции нуклеосинтеза, однако, во-первых, для таких реакций требуются всё более высокие температуры, и, во-вторых, энерговыделение на единицу массы в таких реакциях падает по мере роста массовых чисел ядер, вступивших в реакцию.

    Дополнительным фактором, по-видимому, влияющим на эволюцию ядер красных гигантов, является сочетание высокой температурной чувствительности тройной гелиевой реакции и реакций синтеза более тяжёлых ядер с механизмом нейтринного охлаждения: при высоких температурах и давлениях возможно рассеяние фотонов на электронах с образованием нейтрино-антинейтринных пар, которые свободно уносят энергию из ядра: звезда для них прозрачна. Скорость такого объёмного нейтринного охлаждения, в отличие от классического поверхностного фотонного охлаждения, не лимитирована процессами передачи энергии из недр звезды к её фотосфере. В результате реакции нуклеосинтеза в ядре звезды достигается новое равновесие, характеризующееся одинаковой температурой ядра: образуется изотермическое ядро (рис. 2).

    Файл:WhiteDwarf.in.NGC6397.jpg

    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 $ \lambda = h/mv $, то есть выполняются условия вырождения электронного газа. Расчёты показывают, что плотность изотермических ядер соответствует плотности белых карликов, то есть ядрами красных гигантов являются белые карлики.

    На фотографии шарового звёздного скопления NGC 6397 (рис. 3) идентифицируются белые карлики обоих типов: и гелиевые белые карлики, возникшие при эволюции менее массивных звёзд, и углеродные белые карлики — результат эволюции звёзд с большей массой.

    Потеря массы красными гигантами и сброс ими оболочки Править

    Файл:Proto-Planetary.Nebula.HD44179.large.jpg Файл:Planetary.Nebula.NGC3132.jpg

    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 (см. рис. 4).

    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[14]. 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. На рис. 4 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 (см. рис. 5). 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.

    Физика и свойства белых карликов Править

    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 $ \rho \sim 10^5 - 10^9 $ г/см³. При таких плотностях электронные оболочки атомов разрушаются, и вещество представляет собой электронно-ядерную плазму, причём её электронная составляющая представляет собой вырожденный электронный газ. Давление $ P $ такого газа подчиняется следующей зависимости:

    $ P = K\rho ^{5/3} $

    где $ \rho $ — его плотность, то есть, в отличие от уравнения Клапейрона (уравнения состояния идеального газа), для вырожденного электронного газа температура в уравнение состояния не входит — его давление от температуры не зависит, и, следовательно, строение белых карликов не зависит от температуры. Таким образом, для белых карликов, в отличие от звёзд главной последовательности и гигантов, не существует зависимость масса — светимость.

    Зависимость масса — радиус и предел Чандрасекара Править

    Файл:WhiteDwarf.Mass-Luminosity.Diagram.PNG

    Вышеприведённое уравнение состояния действительно для холодного электронного газа, но температура даже в несколько миллионов градусов мала по сравнению с характерной ферми-энергией электронов ($ kT << E_F $). Вместе с тем, при росте плотности вещества из-за запрета Паули (два электрона не могут иметь одно квантовое состояние, то есть одинаковую энергию и спин), энергия и скорость электронов возрастают настолько, что начинают действовать эффекты теории относительности — вырожденный электронный газ становится релятивистским. Зависимость давления $ P $ релятивистского вырожденного электронного газа от плотности уже другая:

    $ P = K\rho ^{4/3} $

    Для такого уравнения состояния складывается интересная ситуация. Средняя плотность белого карлика

    $ \rho \sim M/R^3 $,

    где $ M $ — масса, а $ R $ — радиус белого карлика.

    Тогда давление

    $ P \sim M^{4/3} /R^4 $

    и сила давления, противодействующая гравитации и равная перепаду давления по глубине:

    $ {P \over R} \sim {{M^{4/3} } \over {R^5 }} $

    Гравитационные силы, противодействующие давлению:

    $ {{\rho GM} \over {R^2 }} \sim {{M^2 } \over {R^5 }} $,

    то есть, хотя перепад давления и гравитационные силы одинаково зависят от радиуса, но по-разному зависят от массы — как $ \sim M^{4/3} $ и $ \sim M^2 $ соответственно. Следствием такого соотношения зависимостей является существование некоторого значения массы звезды, при которой гравитационные силы уравновешиваются силами давления, а при увеличении массы белого карлика его радиус уменьшается (см. рис. 6). Другим следствием является то, что если масса больше некоторого предела (предел Чандрасекара), то звезда коллапсирует.

    Таким образом, для белых карликов существует верхний предел массы. Интересно, что для наблюдаемых белых карликов существует и аналогичный нижний предел: поскольку скорость эволюции звёзд пропорциональна их массе, то мы можем наблюдать маломассивные белые карлики как остатки лишь тех звёзд, которые успели проэволюционировать за время от начального периода звездообразования Вселенной до наших дней.

    Особенности спектров и спектральная классификация Править

    Файл:White.Dwarfs.Spectra.ESO.9953b.jpg

    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[15]:

    D [подкласс] [особенности спектра] [температурный индекс],

    при этом определены следующие подклассы:

    • DA — в спектре присутствуют линии бальмеровской серии водорода, линии гелия не наблюдаются
    • DB — в спектре присутствуют линии гелия He I, линии водорода или металлов отсутствуют
    • DC — непрерывный спектр без линий поглощения
    • DO — в спектре присутствуют сильные линии гелия He II, также могут присутствовать линии He I и H
    • DZ — только линии металлов, линии H или He отсутствуют
    • DQ — линии углерода, в том числе молекулярного 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

    Эволюция белых карликов Править

    Файл:PSR J0348+0432.jpg Файл:Dead Star Acts Like Magnifying Glass.jpg

    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)[16]. При таких температурах большая часть спектра приходится на жёсткое ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение.

    Вместе с тем, наблюдаемые белые карлики по своим спектрам преимущественно делятся на две большие группы — «водородные» спектрального класса DA, в спектрах которых отсутствуют линии гелия, которые составляют ~80 % популяции белых карликов, и «гелиевые» спектрального класса DB без линий водорода в спектрах, составляющие большую часть оставшихся 20 % популяции. Причина такого различия состава атмосфер белых карликов долгое время оставалась неясной. В 1984 году Ико Ибен рассмотрел сценарии «выхода» белых карликов из пульсирующих красных гигантов, находящихся на асимптотической ветви гигантов, на различных фазах пульсации[17]. 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.[18]

    Поскольку белые карлики лишены собственных термоядерных источников энергии, то они излучают за счёт запасов своего тепла. Мощность излучения абсолютно чёрного тела (интегральная мощность по всему спектру), приходящаяся на единицу площади поверхности, пропорциональна четвёртой степени температуры тела:

    $ j =\sigma T^4, $

    где $ j $ — мощность на единицу площади излучающей поверхности, а $ \sigma $ — постоянная Стефана — Больцмана.

    Как уже отмечалось, в уравнение состояния вырожденного электронного газа температура не входит — то есть радиус белого карлика и излучающая площадь остаются неизменными: в результате, во-первых, для белых карликов не существует зависимость масса — светимость, но существует зависимость возраст — светимость (зависящая только от температуры, но не от площади излучающей поверхности), и, во-вторых, сверхгорячие молодые белые карлики должны достаточно быстро остывать, так как поток излучения и, соответственно, темп остывания, пропорционален четвёртой степени температуры.

    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 лет требуется для остывания белого карлика до температуры 5 K), так как время, прошедшее со времени образования первых звёзд во Вселенной, составляет (по современным представлениям) около 13 миллиардов лет, но некоторые белые карлики уже охладились до температур ниже 4000 кельвинов (например, белые карлики WD 0346+246 и SDSS J110217, 48+411315.4 с температурами 3700—3800 K и спектральным классом M0 на расстоянии около 100 световых лет от Солнца[19]), что, наряду с малыми размерами, делает их обнаружение весьма сложной задачей.

    Астрономические феномены с участием белых карликов Править

    Рентгеновское излучение белых карликов Править

    Файл:Sirius A & B X-ray.jpg

    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 звёзд главной последовательности: иллюстрацией могут служить снимки Сириуса, сделанные рентгеновским телескопом «Чандра» (см. рис. 10) — на них белый карлик Сириус Б выглядит ярче, чем Сириус А спектрального класса A1, который в оптическом диапазоне в ~10 000 раз ярче Сириуса Б[20].

    Температура поверхности наиболее горячих белых карликов — 7×104 К, наиболее холодных — меньше 4 ×103 К (см., например, Звезда ван Маанена и WD 0346+246 с SDSS J110217, 48+411315.4 спектрального класса M0).

    Особенностью излучения белых карликов в рентгеновском диапазоне является тот факт, что основным источником рентгеновского излучения для них является фотосфера, что резко отличает их от «нормальных» звёзд: у последних в рентгене излучает корона, разогретая до нескольких миллионов кельвинов, а температура фотосферы слишком низка для испускания рентгеновского излучения.

    В отсутствие аккреции источником светимости белых карликов является запас тепловой энергии ионов в их недрах, поэтому их светимость зависит от возраста. Количественную теорию остывания белых карликов построил в конце 1940-х годов профессор Самуил Каплан[21].

    Аккреция на белые карлики в двойных системах Править

    Файл:Mira 1997 UV.jpg Файл:SN1572.Companion.jpg

    При эволюции звёзд различных масс в двойных системах темпы эволюции компонентов неодинаковы, при этом более массивный компонент может проэволюционировать в белый карлик, в то время как менее массивный к этому времени может оставаться на главной последовательности. В свою очередь, при сходе в процессе эволюции менее массивного компонента с главной последовательности и его переходе на ветвь красных гигантов размер эволюционирующей звезды начинает расти до тех пор, пока она не заполняет свою полость Роша. Поскольку полости Роша компонентов двойной системы соприкасаются в точке Лагранжа L1, то на этой стадии эволюции менее массивного компонента чего через точку L1 начинается переток материи с красного гиганта в полость Роша белого карлика и дальнейшая аккреция богатой водородом материи на его поверхность (см. рис. 11), что приводит к ряду астрономических феноменов:

    • Нестационарная аккреция на белые карлики в случае, если компаньоном является массивный красный карлик, приводит к возникновению карликовых новых (звёзд типа U Gem (UG)) и новоподобных катастрофических переменных звёзд.
    • Аккреция на белые карлики, обладающие сильным магнитным полем, направляется в район магнитных полюсов белого карлика, и циклотронный механизм излучения аккрецирующей плазмы в околополярных областях магнитного поля карлика вызывает сильную поляризацию излучения в видимой области (поляры и промежуточные поляры).
    • Аккреция на белые карлики богатого водородом вещества приводит к его накоплению на поверхности (состоящей преимущественно из гелия) и разогреву до температур реакции синтеза гелия, что, в случае развития тепловой неустойчивости, приводит к взрыву, наблюдаемому как вспышка новой звезды.
    • Достаточно длительная и интенсивная аккреция на массивный белый карлик приводит к превышению его массой предела Чандрасекара и гравитационному коллапсу, наблюдаемому как вспышка сверхновой типа Ia (см. рис. 12).
    1. 1,01,1Я. Б. Зельдович, С. И. Блинников, Н. И. Шакура. Физические основы строения и эволюции звёзд. — М.: МГУ, 1981.
    2. ↑ Sinuosités observées dans le mouvement propre de Sirius, Fig. 320, Flammarion C., Les étoiles et les curiosités du ciel, supplément de «l’Astronomie populaire», Marpon et Flammarion, 1882
    3. E. Schatzman. White Dwarfs. — Amsterdam: North-Holland, 1958. — С. 1.
    4. ↑ Catalogue of Double Stars, William Herschel, Philosophical Transactions of the Royal Society of London 75 (1785), pp. 40-126
    5. ↑ On the proper motions of Procyon and Sirius (англ.). Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (12/1844). Проверено 22 июля 2009. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.
    6. Flammarion C. (1877). "The Companion of Sirius". Astronomical register 15: 186—189. Retrieved on 2010-01-05.  
    7. van Maanen A. Two Faint Stars with Large Proper Motion. Publications of the Astronomical Society of the Pacific (12/1917). — Vol. 29, No. 172, pp. 258—259. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.
    8. "How Degenerate Stars Came to be Known as White Dwarfs" (2005). American Astronomical Society Meeting 207 207. Bibcode: 2005AAS...20720501H.  
    9. В. В. Иванов. Белые карлики. Астронет (17.09.2002). Проверено 6 мая 2009. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.
    10. 10,010,1Fowler R. H. On dense matter (англ.). Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (12/1926). Проверено 22 июля 2009. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.
    11. 11,011,1Яковлев Д.Г. Работа Я.И. Френкеля о силах сцепления и теория белых карликов (К 100-летию со дня рождения Я.И. Френкеля) // Успехи физических наук. — 1994. — Т. 164. — № 3-4. — С. 653–656.
    12. ↑ J. Frenkel Anwendung der Pauli-Fermischen Elektronengastheorie auf das Problem der Kohäsionskräfte // Zeitschrift für Physik. — 1928. — Т. 50. — № 3-4. — С. 234–248.
    13. Chandrasekhar S. The Maximum Mass of Ideal White Dwarfs (англ.). Astrophysical Journal (07/1931). Проверено 22 июля 2009. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.
    14. ↑ Шкловский И. С. О природе планетарных туманностей и их ядер // Астрономический журнал. — 1956. — Т. 33. — № 3. — С. 315—329.
    15. ↑ A proposed new white dwarf spectral classification system, E. M. Sion, J. L. Greenstein, J. D. Landstreet, J. Liebert, H. L. Shipman, and G. A. Wegner, The Astrophysical Journal 269, #1 (June 1, 1983), pp. 253—257.
    16. Leahy, D. A.; C. Y. Zhang, Sun Kwok (1994). "Two-temperature X-ray emission from the planetary nebula NGC 7293". The Astrophysical Journal 422: 205-207. Retrieved on 2010-07-05.  
    17. Iben Jr, I. (1984). "On the frequency of planetary nebula nuclei powered by helium burning and on the frequency of white dwarfs with hydrogen-deficient atmospheres". The Astrophysical Journal 277: 333—354. ISSN 0004-637X.  
    18. София Нескучная. Карлик дышит кислородом (рус.). газета.ru (13.11.09 10:35). Проверено 23 мая 2011. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.
    19. ↑ 12-Billion-Year-Old White-Dwarf Stars Only 100 Light-Years Away.
    20. ↑ Sirius A and B: A Double Star System In The Constellation Canis Major // Photo Album of Chandra X-Ray Observatory.
    21. Иванов В. В. Белые карлики. Астрономический институт им. В. В. Соболева. Проверено 6 января 2010. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.
    • Deborah Jean Warner. Alvan Clark and Sons: Artists in Optics. — Smithsonian Press, 1968.
    • Я. Б. Зельдович, С. И. Блинников, Н. И. Шакура. Физические основы строения и эволюции звёзд. — М., 1981.
    • Шкловский И. С. Звёзды: их рождение, жизнь и смерть. — М.: Наука, 1984.
    • Steven D. Kawaler, Igorʹ Dmitrievich Novikov, Ganesan Srinivasan, G. Meynet, Daniel Schaerer. Stellar remnants. — Springer, 1997. — ISBN 3540615202, 9783540615200.
    • Киппенхан Р. (англ.)русск. 100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд = 100 Milliarden Sonnen / Пер. с нем. А. С. Доброславский, Б. Б. Страумал, под ред. И. М. Халатникова, А. В. Тутукова. — Мир. — М., 1990. — 293 с. — 88 000 экз. — ISBN 5-03-001195-1.
    • Белые карлики // Физика космоса: Маленькая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1986.
    • Astrophysics with White Dwarfs.


    Шаблон:Белый карлик

    ru.science.wikia.com

    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.

    www.aif.ru

    Что такое белые карлики?


    Вы когда-нибудь задумывались о том, что случается со звёздами, когда они исчерпывают запас топлива? Это можно просто объяснить, представив ситуацию, когда на складе закончился трикотаж оптом. Если компания достаточно крупная, она сможет некоторое время существовать за счёт накопленных запасов, а звезда становится белым карликом. Если же склад был мелким – он терпит банкротство, а звезда теряет массу и постепенно рассеивается в пространстве.

    В физическом отношении белый карлик – очень горячая звезда, состоящая из невероятно плотного вещества. Их радиус сравним с радиусом планеты типа Юпитера, то есть в сотни раз меньше радиуса Солнца и светимостью в десятки тысяч раз меньше.

    Плотность вещества белых карликов такова, что в земных условиях спичечный коробок этого вещества весил бы как груженый железнодорожный состав.

    В будущем наше Солнце также ожидает превращение в белый карлик. Такие звёзды достаточно распространены: по некоторым подсчётам их количество составляет до 10% всех звёзд в Галактике.

    Впервые белый карлик описал Фридрих Бессель в XIX ст. благодаря изучению движения Сириуса. Астроном заметил неправильность его траектории, и единственным объяснением оказалось то, что рядом находится маленькая, но очень массивная звезда, оказывающая на Сириус гравитационное воздействие.

    С течением времени температура белого карлика снижается, и цвет его постепенно меняется на красный. В случае если белый карлик входит в состав системы из двух звёзд, при условии достаточно тесного контакта, гравитационные поля таких систем достигают очень высоких энергий. Такая система становится источником жесткого излучения, а светимость их в сотни тысяч раз превышает светимость солнца.

    Эволюция белого карлика, входящего в систему двойной звезды (как в случае с Сириусом), протекает иначе из-за того, что между такими звёздами происходит постоянный обмен веществом.

    Если же белый карлик изначально имел достаточно большую массу, с течением времени он уплотняется, и масса в единице объёма может превысить так называемый предел Чандрасекхара (граничная масса, при которой возможно нахождение звезды в состоянии белого карлика). По достижении этого предела происходит колоссальный взрыв, и белый карлик превращается в сверхновую звезду. После этого звезда может полностью рассеяться в пространстве или оставить после себя ядро, которое станет нейтронной звездой.

    horo.ua

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о