Biały karzeł to gwiazda dość powszechna w naszej przestrzeni. Naukowcy nazywają to wynikiem ewolucji gwiazd, końcowym etapem rozwoju. W sumie istnieją dwa scenariusze modyfikacji ciała gwiezdnego, w jednym końcowym etapie jest gwiazda neutronowa, w drugim czarna dziura. Krasnoludy to ostatni krok ewolucyjny. Mają wokół siebie systemy planetarne. Naukowcy byli w stanie to ustalić, badając próbki wzbogacone metalami.
Tło
Białe karły to gwiazdy, które zwróciły uwagę astronomów w 1919 roku. Po raz pierwszy takie ciało niebieskie odkrył holenderski naukowiec Maanen. Jak na swój czas specjalista dokonał dość nietypowego i nieoczekiwanego odkrycia. Krasnolud, którego zobaczył, wyglądał jak gwiazda, ale miał niestandardowe małe rozmiary. Spektrum jednak wyglądało tak, jakby było to masywne i duże ciało niebieskie.
Przyczyny tak dziwnego zjawiska przyciągały naukowców od dłuższego czasu, więc włożono wiele wysiłku, aby zbadać budowę białych karłów. Przełom nastąpił, gdy wyrazili i udowodnili założenie o obfitości różnych metalowych struktur w atmosferze ciała niebieskiego.
Należy wyjaśnić, że metale w astrofizyce to wszelkiego rodzaju pierwiastki, których cząsteczki są cięższe niż wodór, hel, a ich skład chemiczny jest bardziej progresywny niż te dwa związki. Hel, wodór, jak udało się ustalić naukowcom, są bardziej rozpowszechnione w naszym wszechświecie niż jakiekolwiek inne substancje. Na tej podstawie postanowiono oznaczyć wszystko inne jako metale.
Rozwój motywu
Chociaż białe karły różniące się wielkością od Słońca po raz pierwszy zaobserwowano w latach dwudziestych, dopiero pół wieku później ludzie odkryli, że obecność struktur metalicznych w gwiezdnej atmosferze nie jest zjawiskiem typowym. Jak się okazało, zawarte w atmosferze, oprócz dwóch najpowszechniejszych substancji, cięższych, przemieszczają się w głębsze warstwy. Substancje ciężkie, znajdujące się wśród molekuł helu, wodoru, muszą w końcu przenieść się do jądra gwiazdy.
Było kilka powodów tego procesu. Promień białego karła jest mały, takie ciała gwiezdne są bardzo zwarte - nie bez powodu mają swoją nazwę. Średnio promień jest porównywalny z promieniem Ziemi, podczas gdy waga jest zbliżona do wagi gwiazdy oświetlającej nasz układ planetarny. Taki stosunek wymiarów do masy powoduje wyjątkowo duże przyspieszenie grawitacyjne powierzchni. W konsekwencji osadzanie metali ciężkich w atmosferze wodoru i helu następuje zaledwie kilka dni ziemskich po tym, jak cząsteczka wejdzie w całkowitą masę gazową.
Funkcje i czas trwania
Czasami cechy białych karłówsą takie, że proces sedymentacji molekuł ciężkich substancji może być opóźniony na długi czas. Najkorzystniejszymi opcjami z punktu widzenia obserwatora z Ziemi są procesy trwające miliony, dziesiątki milionów lat. Jednak takie przedziały czasowe są wyjątkowo krótkie w porównaniu z czasem życia samego ciała gwiazdowego.
Ewolucja białego karła jest taka, że większość formacji obserwowanych obecnie przez człowieka ma już kilkaset milionów lat ziemskich. Jeśli porównamy to z najwolniejszym procesem wchłaniania metali przez jądro, różnica jest więcej niż znacząca. Dlatego wykrycie metalu w atmosferze pewnej obserwowalnej gwiazdy pozwala z całą pewnością stwierdzić, że ciało początkowo nie miało takiego składu atmosferycznego, w przeciwnym razie wszystkie wtrącenia metali zniknęłyby dawno temu.
Teoria i praktyka
Opisane powyżej obserwacje, a także gromadzone przez wiele dziesięcioleci informacje o białych karłach, gwiazdach neutronowych i czarnych dziurach sugerowały, że atmosfera otrzymuje wtrącenia metaliczne ze źródeł zewnętrznych. Naukowcy po raz pierwszy zdecydowali, że jest to medium między gwiazdami. Ciało niebieskie porusza się przez taką materię, akreuje ośrodek na swoją powierzchnię, wzbogacając w ten sposób atmosferę ciężkimi pierwiastkami. Ale dalsze obserwacje wykazały, że taka teoria jest nie do utrzymania. Jak określili eksperci, gdyby zmiana atmosfery nastąpiła w ten sposób, karzeł otrzymywałby głównie wodór z zewnątrz, ponieważ ośrodek między gwiazdami został utworzony w całości przez wodór icząsteczki helu. Tylko niewielki procent pożywki to związki ciężkie.
Gdyby teoria powstała na podstawie pierwotnych obserwacji białych karłów, gwiazd neutronowych i czarnych dziur byłaby uzasadniona, karły składałyby się z wodoru jako najlżejszego pierwiastka. Nie pozwoliłoby to na istnienie nawet ciał niebieskich helowych, ponieważ hel jest cięższy, co oznacza, że akrecja wodoru całkowicie ukryłaby go przed okiem zewnętrznego obserwatora. Na podstawie obecności karłów helowych naukowcy doszli do wniosku, że ośrodek międzygwiazdowy nie może służyć jako jedyne, a nawet główne źródło metali w atmosferze ciał gwiazdowych.
Jak to wyjaśnić?
Naukowcy, którzy badali czarne dziury, białe karły w latach 70. ubiegłego wieku, zasugerowali, że wtrącenia metaliczne można wytłumaczyć upadkiem komet na powierzchnię ciała niebieskiego. To prawda, że kiedyś takie pomysły były uważane za zbyt egzotyczne i nie otrzymały wsparcia. Wynikało to w dużej mierze z faktu, że ludzie nie wiedzieli jeszcze o obecności innych układów planetarnych – znany był tylko nasz „domowy” Układ Słoneczny.
Pod koniec następnej, ósmej dekady ubiegłego wieku, dokonano znaczącego kroku naprzód w badaniach czarnych dziur, białych karłów. Naukowcy mają do dyspozycji szczególnie potężne instrumenty na podczerwień do obserwacji głębi kosmosu, które umożliwiły wykrycie promieniowania podczerwonego wokół jednego ze znanych astronomów białego karła. Zostało to ujawnione dokładnie wokół karła, którego atmosfera zawierała metalicznewłączenie.
Promieniowanie podczerwone, które umożliwiło oszacowanie temperatury białego karła, powiedziało również naukowcom, że ciało gwiazdowe jest otoczone substancją, która może pochłaniać promieniowanie gwiezdne. Substancja ta jest podgrzewana do określonego poziomu temperatury, niższego niż temperatura gwiazdy. Pozwala to na stopniowe przekierowanie pochłoniętej energii. Promieniowanie występuje w zakresie podczerwieni.
Nauka idzie naprzód
Widma białego karła stały się przedmiotem badań zaawansowanych umysłów świata astronomów. Jak się okazało, można z nich uzyskać całkiem sporo informacji o cechach ciał niebieskich. Szczególnie interesujące były obserwacje ciał gwiazdowych z nadmiernym promieniowaniem podczerwonym. Obecnie udało się zidentyfikować około trzech tuzinów systemów tego typu. Ich główny procent zbadano przy użyciu najpotężniejszego teleskopu Spitzera.
Naukowcy, obserwując ciała niebieskie, odkryli, że gęstość białych karłów jest znacznie mniejsza niż ten parametr charakterystyczny dla gigantów. Stwierdzono również, że nadmiar promieniowania podczerwonego wynika z obecności dysków utworzonych przez specyficzną substancję, która może pochłaniać promieniowanie energetyczne. To on następnie promieniuje energią, ale w innym zakresie długości fal.
Dyski są wyjątkowo blisko siebie iw pewnym stopniu wpływają na masę białych karłów (co nie może przekroczyć limitu Chandrasekhara). Promień zewnętrzny nazywany jest dyskiem detrytycznym. Sugerowano, że powstał podczas niszczenia jakiegoś ciała. Średnio promień jest porównywalny pod względem wielkości do Słońca.
Jeśli zwrócisz uwagę na nasz układ planetarny, stanie się jasne, że stosunkowo blisko "domu" możemy zaobserwować podobny przykład - są to pierścienie otaczające Saturna, których wielkość jest również porównywalna do promienia nasza gwiazda. Z biegiem czasu naukowcy odkryli, że ta cecha nie jest jedyną wspólną cechą karłów i Saturnów. Na przykład zarówno planeta, jak i gwiazdy mają bardzo cienkie dyski, które nie są przezroczyste, gdy próbują przebić się przez światło.
Wnioski i rozwój teorii
Ponieważ pierścienie białych karłów są porównywalne z tymi, które otaczają Saturna, stało się możliwe sformułowanie nowych teorii wyjaśniających obecność metali w atmosferze tych gwiazd. Astronomowie wiedzą, że pierścienie wokół Saturna powstają w wyniku rozerwania pływowego niektórych ciał, które znajdują się wystarczająco blisko planety, aby oddziaływać na nie pole grawitacyjne. W takiej sytuacji ciało zewnętrzne nie może utrzymać własnej grawitacji, co prowadzi do naruszenia integralności.
Około piętnaście lat temu zaprezentowano nową teorię, która w podobny sposób wyjaśniała powstawanie pierścieni białych karłów. Założono, że początkowo karzeł był gwiazdą w centrum układu planetarnego. Ciało niebieskie ewoluuje w czasie, co trwa miliardy lat, pęcznieje, traci powłokę, a to powoduje powstanie karła, który stopniowo się ochładza. Nawiasem mówiąc, kolor białych karłów tłumaczy się właśnie ich temperaturą. Dla niektórych szacuje się ją na 200 000 tys.
System planet w trakcie takiej ewolucji może przetrwać, co prowadzi doekspansja zewnętrznej części układu jednocześnie ze spadkiem masy gwiazdy. W rezultacie powstaje duży system planet. Planety, asteroidy i wiele innych elementów przetrwało ewolucję.
Co dalej?
Postęp systemu może prowadzić do jego niestabilności. Prowadzi to do bombardowania przestrzeni otaczającej planetę kamieniami, a asteroidy częściowo wylatują z układu. Niektóre z nich poruszają się jednak na orbitach, prędzej czy później znajdując się w promieniu słonecznym karła. Zderzenia nie występują, ale siły pływowe prowadzą do naruszenia integralności ciała. Gromada takich asteroid przybiera kształt podobny do pierścieni otaczających Saturna. W ten sposób wokół gwiazdy powstaje dysk gruzu. Gęstość białego karła (około 10^7 g/cm3) i jego dysk detrytyczny znacznie się różnią.
Opisana teoria stała się dość kompletnym i logicznym wyjaśnieniem szeregu zjawisk astronomicznych. Dzięki niemu można zrozumieć, dlaczego dyski są zwarte, ponieważ gwiazda nie może być otoczona dyskiem o promieniu porównywalnym do Słońca podczas całego swojego istnienia, w przeciwnym razie takie dyski byłyby początkowo wewnątrz jej ciała.
Wyjaśniając powstawanie dysków i ich rozmiar, można zrozumieć, skąd pochodzi ta szczególna podaż metali. Może wylądować na powierzchni gwiazdy, zanieczyszczając karła cząsteczkami metalu. Opisana teoria, nie zaprzeczając ujawnionym wskaźnikom średniej gęstości białych karłów (rzędu 10^7 g/cm3), dowodzi, dlaczego metale obserwowane są w atmosferze gwiazd, dlaczego pomiary chemiczneskład w sposób możliwie dostępny dla człowieka iz jakiego powodu rozkład pierwiastków jest podobny do charakterystycznego dla naszej planety i innych badanych obiektów.
Teorie: czy jest jakaś korzyść?
Opisany pomysł był szeroko używany jako podstawa do wyjaśnienia, dlaczego powłoki gwiazd są zanieczyszczone metalami, dlaczego pojawiły się dyski gruzu. Ponadto wynika z tego, że wokół karła istnieje układ planetarny. Ten wniosek nie jest zaskoczeniem, ponieważ ludzkość ustaliła, że większość gwiazd ma własne układy planet. Jest to charakterystyczne zarówno dla tych, które są podobne do Słońca, jak i tych, które są znacznie większe niż jego wymiary - a mianowicie powstają z nich białe karły.
Tematy niewyczerpane
Nawet jeśli uznamy, że opisana powyżej teoria jest ogólnie akceptowana i sprawdzona, niektóre pytania dla astronomów pozostają otwarte do dnia dzisiejszego. Szczególnie interesująca jest specyfika przepływu materii między dyskami a powierzchnią ciała niebieskiego. Jak niektórzy sugerują, jest to spowodowane promieniowaniem. Teorie nawołujące w ten sposób do opisu transportu materii opierają się na efekcie Poyntinga-Robertsona. Zjawisko to, pod wpływem którego cząstki powoli poruszają się po orbicie wokół młodej gwiazdy, stopniowo skręcając w kierunku centrum i znikając w ciele niebieskim. Przypuszczalnie efekt ten powinien objawiać się w dyskach szczątków otaczających gwiazdy, to znaczy molekułach obecnych w dyskach prędzej czy później znajdą się w wyjątkowej odległości od karła. ciała stałeulegają parowaniu, powstaje gaz – taki w postaci dysków zanotowano wokół kilku obserwowanych karłów. Prędzej czy później gaz dociera do powierzchni karła, transportując tutaj metale.
Ujawnione fakty są oceniane przez astronomów jako znaczący wkład w naukę, ponieważ sugerują, w jaki sposób powstają planety. Jest to ważne, ponieważ obiekty do badań, które przyciągają specjalistów, są często niedostępne. Na przykład planety krążące wokół gwiazd większych od Słońca są niezwykle rzadko badane - jest to zbyt trudne na poziomie technicznym, jakim dysponuje nasza cywilizacja. Zamiast tego ludzie mogli badać układy planetarne po przekształceniu gwiazd w karły. Jeśli uda nam się rozwijać w tym kierunku, z pewnością będzie możliwe ujawnienie nowych danych na temat obecności układów planetarnych i ich charakterystycznych cech.
Białe karły, w atmosferze których wykryto metale, pozwalają nam zorientować się w składzie chemicznym komet i innych ciał kosmicznych. W rzeczywistości naukowcy po prostu nie mają innego sposobu na ocenę składu. Na przykład, badając planety olbrzymy, można uzyskać wyobrażenie tylko o warstwie zewnętrznej, ale nie ma wiarygodnych informacji o zawartości wewnętrznej. Dotyczy to również naszego systemu „domowego”, ponieważ skład chemiczny można badać tylko z tego ciała niebieskiego, które spadło na powierzchnię Ziemi lub gdzie można było wylądować aparaturę badawczą.
Jak leci?
Prędzej czy później nasz układ planetarny stanie się również „domem” białego karła. Jak mówią naukowcy, jądro gwiazdy ma:ograniczona ilość materii do pozyskania energii i prędzej czy później reakcje termojądrowe zostają wyczerpane. Gaz zmniejsza swoją objętość, gęstość wzrasta do tony na centymetr sześcienny, podczas gdy w warstwach zewnętrznych reakcja nadal zachodzi. Gwiazda rozszerza się, stając się czerwonym olbrzymem, którego promień jest porównywalny z setkami gwiazd równych Słońcu. Kiedy zewnętrzna powłoka przestaje „palić się”, w ciągu 100 000 lat następuje rozproszenie materii w przestrzeni, czemu towarzyszy powstawanie mgławicy.
Jądro gwiazdy uwolnione z powłoki obniża temperaturę, co prowadzi do powstania białego karła. W rzeczywistości taka gwiazda jest gazem o dużej gęstości. W nauce karły są często określane jako zdegenerowane ciała niebieskie. Gdyby nasza gwiazda była skompresowana, a jej promień wynosiłby tylko kilka tysięcy kilometrów, ale waga byłaby całkowicie zachowana, wtedy również tutaj miałby miejsce biały karzeł.
Cechy i punkty techniczne
Rozważany typ ciała kosmicznego może świecić, ale proces ten można wyjaśnić innymi mechanizmami niż reakcje termojądrowe. Blask nazywa się szczątkowym, tłumaczy się to spadkiem temperatury. Krasnolud składa się z substancji, której jony są czasami zimniejsze niż 15 000 K. Dla pierwiastków charakterystyczne są ruchy oscylacyjne. Stopniowo ciało niebieskie staje się krystaliczne, jego blask słabnie, a karzeł zmienia się w brązowy.
Naukowcy określili limit masy takiego ciała niebieskiego - do 1,4 masy Słońca, ale nie więcej niż ten limit. Jeśli masa przekracza ten limit,gwiazda nie może istnieć. Wynika to z ciśnienia substancji w stanie ściśniętym - jest ono mniejsze niż przyciąganie grawitacyjne, które ściska substancję. Następuje bardzo silna kompresja, która prowadzi do pojawienia się neutronów, substancja ulega neutronizacji.
Proces kompresji może prowadzić do degeneracji. W tym przypadku powstaje gwiazda neutronowa. Drugą opcją jest kontynuacja kompresji, która prędzej czy później doprowadzi do eksplozji.
Ogólne parametry i funkcje
Jasność bolometryczna rozważanej kategorii ciał niebieskich w stosunku do charakterystyki Słońca jest mniejsza niż około dziesięć tysięcy razy. Promień karła jest mniej niż sto razy większy od Słońca, a jego waga jest porównywalna z charakterystyczną dla głównej gwiazdy naszego układu planetarnego. Aby określić limit masy dla karła, obliczono limit Chandrasekhara. Po jej przekroczeniu karzeł ewoluuje w inną formę ciała niebieskiego. Fotosfera gwiazdy składa się średnio z gęstej materii, szacowanej na 105–109 g/cm3. W porównaniu z ciągiem głównym jest około milion razy gęstsza.
Niektórzy astronomowie uważają, że tylko 3% wszystkich gwiazd w galaktyce to białe karły, a niektórzy są przekonani, że co dziesiąta należy do tej klasy. Szacunki bardzo różnią się co do przyczyny trudności w obserwowaniu ciał niebieskich - znajdują się one daleko od naszej planety i świecą zbyt słabo.
Historie i nazwy
W 1785 ciało pojawiło się na liście gwiazd podwójnych, którą obserwował Herschel. Gwiazda otrzymała imię 40 Eridani B. To ona jest uważana za pierwszą widzianą osobę z kategorii białej.karły. W 1910 Russell zauważył, że to ciało niebieskie ma wyjątkowo niski poziom jasności, chociaż temperatura barwowa jest dość wysoka. Z czasem zdecydowano, że ciała niebieskie tej klasy należy wydzielić do osobnej kategorii.
W 1844 r. Bessel, badając informacje uzyskane przez śledzenie Procyona B, Syriusza B, stwierdził, że obaj od czasu do czasu przesunęli się z linii prostej, co oznacza, że istnieją bliskie satelity. Takie założenie wydawało się mało prawdopodobne dla społeczności naukowej, ponieważ nie można było zobaczyć żadnego satelity, podczas gdy odchylenia można było wytłumaczyć jedynie ciałem niebieskim, którego masa jest wyjątkowo duża (podobnie jak Syriusz, Procjon).
W 1962 Clark, pracując z największym istniejącym wówczas teleskopem, zidentyfikował bardzo słabe ciało niebieskie w pobliżu Syriusza. To on nazywał się Syriusz B, ten sam satelita, który Bessel sugerował dawno temu. W 1896 roku badania wykazały, że Procyon miał również satelitę - nazwano go Procyon B. Dlatego idee Bessela zostały w pełni potwierdzone.
