В глубинах вселенной существуют звезды, которые притягивают внимание ученых и восхищают любителей астрономии. Белые карлики — это загадочные сверхплотные звезды, которые, несмотря на свой небольшой размер, обладают потрясающей энергией и притягательностью. Исследование этих уникальных космических объектов открывает перед нами дверь в мир тайн, расширяя наше понимание о строении и эволюции вселенной.
Однако белые карлики — это не просто обычные звезды. Они представляют собой плотные скопления материи, сжатые до крайних пределов, где вещество претерпевает необычные изменения. Мы рассмотрим их строение, а также проложим путь через многочисленные загадки, которые они задают ученым.
Статья раскроет перед вами роль белых карликов в эволюции галактик и их влияние на космическую экосистему. Вы узнаете о том, как эти звезды угасают, оставляя за собой следы в виде планетарных туманностей и других космических явлений.
Общие сведения
Белые карлики – это компактные звезды, характеризующиеся массой, приближенной к массе Солнца (M⊙), но имеющие гораздо меньший радиус, примерно в 100 раз меньший, чем у Солнца. Плотность вещества в белых карликах составляет от 108 до 109 кг/м3.
В нашей Галактике оценивается наличие около 10 миллиардов белых карликов, которые составляют несколько процентов от общего числа звезд.
Однако, в современном подробном каталоге, составленном на основе наблюдений космического телескопа GAIA, содержится всего несколько сотен тысяч таких объектов, поскольку большая часть белых карликов находится далеко от нас и обладает низкой светимостью. Многие из них также являются членами двойных звездных систем.
История открытия
В истории астрономии есть несколько ключевых открытий, которые привели к распознаванию и классификации белых карликов. В 1785 году Уильям Гершель добавил звезду 40 Эридана B в свой каталог двойных звезд, заметив её низкую светимость при высокой цветовой температуре. Это стало первым открытием белого карлика. Затем, в 1844 году Фридрих Бессель исследовал Сириус и Процион и сделал предположение о наличии близких спутников у этих звезд.
В 1862 году Элвин Грэхэм Кларк обнаружил спутник Сириуса, а Д. М. Шеберле в 1896 году подтвердил наличие спутника Проциона, подтверждая предсказания Бесселя.
Однако, настоящий прорыв в изучении белых карликов произошел в 1915 году, когда Уолтер Сидней Адамс провел измерения спектра Сириуса B. Эти измерения показали, что температура Сириуса B не ниже, чем у Сириуса A, несмотря на его гораздо меньшую светимость. Это указывало на очень малый радиус и высокую плотность белых карликов.
С появлением новых технологий и современных наблюдательных инструментов было обнаружено ещё больше белых карликов, включая звезду ван Маанена в созвездии Рыб, открытую Адрианом ван Мааненом в 1917 году.
В 1922 году Виллем Якоб Лейтен предложил термин “белые карлики” для обозначения таких звезд. С тех пор исследования белых карликов продолжаются, раскрывая новые аспекты их природы и роли в космической астрономии.
Происхождение
Происхождение белых карликов связано с эволюцией нормальных звезд малой и средней массы. Этот процесс начинается после того, как звезда исчерпывает свои запасы ядерного горючего, необходимого для поддержания ядерных реакций в её центре.
На этом этапе звезда превращается в красного гиганта. Внешние слои звезды начинают расширяться, и она становится гораздо больше по размеру. При этом внутренние слои звезды начинают сжиматься под воздействием собственной гравитации. Красный гигант испускает огромное количество энергии, и его внешние слои начинают постепенно отделяться и разлетаться в космическом пространстве. Оставшаяся часть звезды, состоящая из компактного и плотного ядра, превращается в белый карлик.
Белые карлики не проводят ядерных реакций и не вырабатывают тепло и свет. Они остывают со временем, и их температура падает. Это происходит потому, что белый карлик теряет свою внутреннюю тепловую энергию, излучая её в космическое пространство. Охлаждение белых карликов происходит очень медленно из-за их малого размера и плотности.
Длительность охлаждения белого карлика зависит от его массы. Менее массивные белые карлики остывают быстрее, а более массивные могут сохранять высокую температуру и оставаться яркими на протяжении очень долгого времени. Со временем белый карлик может пройти через последний этап своей эволюции и превратиться в коричневый карлик или черный карлик.
Строение
Внутреннее строение белого карлика определяется балансом между двумя основными силами: гравитационным сжатием и давлением электронного газа. Основную массу белого карлика составляет ядро, состоящее в основном из углерода и кислорода, а также может содержать небольшие количества других элементов, таких как неон и магний.
Электронная плазма, образованная высокоэнергетическими электронами, заполняет пространство между ядром и внешними слоями белого карлика. Эти электроны подвержены вырождению, что означает, что они находятся в квантово-механическом состоянии с высокими энергиями. Вырожденное электронное давление становится существенной силой, противодействующей гравитационному сжатию ядра белого карлика.
Виды белых карликов
Спектрально белые карлики разделяются на две основные группы: водородные белые карлики (DA) и гелиевые белые карлики (DB).
| Группа | Спектральный класс | Описание |
|---|---|---|
| Водородные белые карлики (DA) | Белые карлики с отсутствием спектральных линий гелия | Эти белые карлики составляют до 80% от общего количества. В их спектрах отсутствуют спектральные линии гелия. |
| Гелиевые белые карлики (DB) | Белые карлики с отсутствием водородных спектральных линий | Этот тип белых карликов более редкий. В спектрах этих звезд отсутствуют водородные спектральные линии. |
Свойства белых карликов
Белые карлики, как последний этап эволюции нормальных звезд, обладают определенными физическими и химическими свойствами.
Химический состав
Химический состав белого карлика определяется массой исходной звезды, а также тем, на каком этапе исчерпываются термоядерные реакции в её ядре. В зависимости от этого, белые карлики могут иметь различный химический состав.
Если масса исходной звезды была невелика, от 0,08 до 0,5 масс Солнца, то после исчерпания запаса водорода они превращаются в гелиевые белые карлики. В таких звездах гелий становится основным компонентом. Масса гелиевых белых карликов обычно не превышает 0,5 солнечных масс.
Если исходная звезда имела массу от 0,5 до 8 масс Солнца, то она может пройти через фазу красного гиганта и гелиевую вспышку. После выгорания гелия в её ядре, остаток звезды становится углеродно-кислородным белым карликом. В таких звездах углерод и кислород являются основными составляющими. Масса углеродно-кислородных белых карликов обычно составляет от 0,5 до 1,2 солнечных масс.
Если исходная звезда имела массу от 8 до 12 солнечных масс, то она может продолжить эволюцию даже после выгорания гелия и пройти фазу горения углерода. В результате этой эволюции образуется белый карлик с составом, богатым кислородом, неоном и магнием. Масса таких белых карликов может быть близкой к пределу Чандрасекара, который составляет около 1,4 солнечных масс.
Таким образом, химический состав белого карлика зависит от массы исходной звезды и этапа, на котором завершились термоядерные реакции в её ядре.
Предел Чандрасекара
Предел Чандрасекара определяет максимальную массу, которую может иметь белый карлик, чтобы не произошло его коллапса под действием собственной гравитации. Этот предел обусловлен принципом исключения Паули, также известным как принцип запрещения Паули, который описывает поведение фермионов (частиц с полуцелым спином, включая электроны) и запрещает двум фермионам занимать одно и то же квантовое состояние.
В контексте белых карликов, главным образом, противостоят сжатию и коллапсу гравитационные силы и давление электронного газа внутри. Если белый карлик превышает предел Чандрасекара, его масса становится настолько велика, что давление электронного газа перестает быть достаточным для поддержания равновесия с гравитационными силами. В результате возникает неустойчивость и происходит коллапс.
Предел Чандрасекара зависит от физических параметров, таких как состав и температура белого карлика. Он составляет примерно 1,4 солнечных масс, что означает, что белый карлик с массой превышающей этот предел не может существовать в стабильном состоянии и будет подвержен коллапсу.
Коллапс
Если белый карлик превышает предел Чандрасекара, то в результате может произойти коллапс, при котором он становится неустойчивым и начинает сжиматься под воздействием своей собственной гравитации. Это может привести к различным последствиям в зависимости от условий и свойств белого карлика.
Один из возможных сценариев коллапса белого карлика является термоядерный взрыв, известный как Сверхновая. В этом случае, при достижении предела Чандрасекара, происходит инициирование ядерной реакции, в результате которой происходит слияние углерода и кислорода, что приводит к мощному взрыву и выбросу огромного количества энергии.
Коллапс белого карлика также может привести к образованию нейтронной звезды или черной дыры, особенно если белый карлик находится в бинарной системе с другой компонентой, например, нейтронной звездой или черной дырой. Взаимодействие и слияние таких объектов может привести к энергетических выбросам и формированию различных астрономических явлений.
Температура
Белые карлики обладают высокой поверхностной температурой, которая является одной из их основных характеристик. Температура белого карлика является результатом процессов, происходящих в его ядре и остаточных слоях.
Обычно температура поверхности белых карликов составляет несколько тысяч градусов Кельвина. Конкретная температура зависит от массы исходной звезды, фазы эволюции и других факторов. Белые карлики с более массивными предшественниками обычно обладают более высокой температурой, чем те, у которых предшественники были менее массивными.
Температура белого карлика влияет на его светимость и спектральные характеристики. Благодаря высокой температуре, белые карлики излучают интенсивное электромагнитное излучение, в основном в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра. Их спектры обычно содержат ярко выраженную излучательную компоненту.
Особенности спектров
Спектры белых карликов отличаются от спектров звезд главной последовательности и гигантов по ряду характеристик. Одной из основных особенностей является наличие небольшого числа сильно размытых линий поглощения. В некоторых белых карликах, классифицируемых как спектральный класс DC, заметных линий поглощения практически не обнаруживается.
Ограниченное количество линий поглощения в спектрах этого класса связано с интенсивным размытием линий: только наиболее сильные линии поглощения сохраняют достаточную глубину, чтобы быть видимыми, в то время как слабые линии, из-за низкой глубины, практически сливаются с непрерывным спектром.
Аккреция
Если белый карлик находится в близкой двойной системе с другой звездой, то вещество может быть перетянуто с поверхности компаньона на поверхность белого карлика под воздействием их гравитационного взаимодействия. Это может приводить к активному накоплению вещества и значительному увеличению массы белого карлика.
Аккреция также может происходить при наличии аккреционного диска – области вокруг белого карлика, где газ и пыль скапливаются и попадают на его поверхность. Это может происходить в системах с планетарными туманностями или при взаимодействии с межзвездной средой. Это может привести к изменению его физических свойств и эволюции.
Интересные факты
Вот несколько интересных фактов о белых карликах:
- Белый карлик с наименьшей массой, известный как GRW +70 8247, находится на расстоянии около 43 световых лет от Земли в созвездии Дракона. Его звездная величина составляет около 13, и он виден только через большой телескоп.
- Самый близкий белый карлик к Солнцу – это звезда ван Маанена, которая находится в центре созвездия Рыб, всего в 14,4 световых годах от нас. Однако, она слишком тусклая, чтобы быть видимой невооруженным глазом.
- Самый известный белый карлик – Сириус B. Он является компаньоном знаменитой звезды Сириус, расположенной на расстоянии около 8,5 световых лет от нас.
- Самый большой белый карлик на данный момент находится в планетарной туманности M27 (туманность Гантель), которая расположена в созвездии Лисички на расстоянии около 1360 световых лет от нас. Его размеры превышают размеры любого другого известного белого карлика.
Белые карлики могут служить источником рентгеновского излучения. Когда материал аккретируется на их поверхность, происходят ядерные реакции, в результате которых освобождается рентгеновское излучение.
Вывод
Изучение белых карликов позволяет расширить наши знания о физических процессах в звездах, эволюции звездных систем и структуре вселенной. Они играют важную роль в понимании звездообразования, жизненного цикла звезд и эволюции галактик. Новые технологии и наблюдательные инструменты позволяют нам более глубоко изучать эти объекты, расширяя наши знания о их разнообразии, химическом составе, структуре и физических процессах.
