Что такое белый карлик в астрономии


Во Вселенной вещество нередко пребывает в состояниях, совершенно экстремальных для нашей планеты. Здесь отсутствуют высокие температуры и давления, сильные гравитационные и магнитные поля, интенсивные жесткие излучения, благодаря чему, собственно, и смогла возникнуть и развиться сложная биосфера. Однако экстремальность того или иного объекта – большая условность, ведь для Вселенной подобные состояния материи совершенно обычны. Человечество впервые узнало о них благодаря открытию особого класса звезд – белых карликов.

Открытие странных объектов

История изучения необычных звезд взяла старт в начале XX века, когда астрономы объединили результаты наблюдений нескольких близкорасположенных кратных звездных систем – 40 Эридана, Сириуса и Проциона. Выяснилось, что в каждой из этих систем один из компонентов характеризуется странным сочетанием свойств. Их орбитальные параметры свидетельствовали о достаточно большой массе, сравнимой с массой обычной звезды; спектральные характеристики указывали на высокую температуру. Светимость же этих объектов оказалась весьма малой – это были слабые, тусклые звездочки.


В 1917 году был открыт первый одиночный объект с подобными свойствами – звезда Ван Маанена, расположенная в 14 световых годах от Солнца. Масса ее составляет 0,7 солнечных масс, и при этом наше Солнце излучает более чем в пять тысяч раз мощнее, чем звезда Ван Маанена, получившая имя в честь своего первооткрывателя – голландского астронома, работавшего в США.

В 1922 году еще один голландский американец, В. Я. Лейтен, открывший несколько таких объектов, предложил для этого класса звезд название, которое мы употребляем и поныне: «белый карлик». Здесь термин «белый» означает «горячий» и связан со спектральными особенностями.

Немного об эволюции звезд

Ключевой параметр всех звезд – это масса. Она задает интенсивность всех происходящих в звезде процессов, так как от массы звезды зависит давление, плотность и, соответственно, температура вещества в ее недрах. А чем выше значения этих величин, тем выше вероятность каждого акта термоядерного синтеза, то есть он протекает с большей интенсивностью. Стабильность звезды поддерживается равновесием между силой ее гравитационного сжатия и силой давления, расталкивающей ее за счет энерговыделения в ходе ядерных реакций.

Масса же определяет и продолжительность стабильного существования звезды до исчерпания водорода как термоядерного горючего (этап «главной последовательности»), и ее дальнейшую судьбу. В конце этого периода своей жизни звезды в зависимости от массы испытывают те или иные изменения, итогом которых становится превращение их в объекты одного из трех типов: белые карлики, нейтронные звезды либо черные дыры. Нас будет интересовать первый вариант.

Сердце красного гиганта


Если масса звезды не превышает некоторой пороговой величины (1,44 массы Солнца), ей суждено стать карликом. Каким образом это происходит? После исчерпания водорода в центре звезды образуется плотное гелиевое ядро – в сущности, шлак, наработанный за время ее жизни.

Энергия больше не отводится из центра, значит, растут температура и плотность – ведь звезду сжимает собственная гравитация. В какой-то момент они достигают такого значения, при котором уже гелий способен вступать в реакцию синтеза, образуя углерод. В оболочке звезды в это время происходят процессы, ведущие к ее раздуванию и охлаждению внешних областей. Звезда становится красным гигантом.

Ядро красного гиганта имеет изотермические свойства, охлаждаясь в основном не за счет отдачи излучения с поверхности, а в результате уноса энергии нейтрино – частицами, для которых ядро прозрачно.

Красный гигант – нестабильная звезда. В конце концов, она теряет свои внешние слои – при этом образуются такие зрелищные космические феномены, как планетарные туманности. Остается только горячее гелиевое ядро с большим или меньшим содержанием углерода и – в очень малой концентрации – более тяжелых элементов (кислород). Это ядро и есть белый карлик.

Вырождение газа


Масса этого ядра сравнима с массой Солнца, а вот размер на два порядка меньше, нежели у нашего светила. Отсюда вывод: плотность белых карликов огромна. Она может составлять от сотен килограммов до тысяч тонн на кубический сантиметр. Что представляет собой вещество в таком состоянии: твердое тело или, может быть, жидкость? Нет, твердые тела и жидкости не могут существовать при таких плотностях, намного превышающих наиболее компактную упаковку атомов в веществе. Это особое состояние вещества.

Вследствие гигантских давлений электронные оболочки атомов в этом газе разрушены. Вещество являет собой чудовищно сжатую плазму, поведение которой возможно описать только с применением квантовой механики. Электроны не могут иметь одни и те же квантовые состояния («запрет Паули»), в силу чего скорости их принимают самые разнообразные значения. В обычном газе температура связана со скоростью частиц. В данном же случае, какую бы температуру ни имело вещество, скорости электронов с ней никак не связаны и могут достигать релятивистских значений. Такой электронный газ называется вырожденным.

Предел Чандрасекара

Давление вырожденного газа задается его плотностью. Оно, как и противодействующая сила гравитационного сжатия, имеет прямую зависимость (но в другой степени) от массы белых карликов и обратную – от их радиуса. То есть существуют такие значения массы, при которых давление будет уравновешивать гравитацию, что обеспечит стабильное существование карлика. Если же критическая величина 1,44 массы Солнца превышена, ядру звезды карликом не быть: давление не остановит сжатия, радиус будет продолжать уменьшаться, и сформируется нейтронная звезда.


Эта критическая масса носит наименование предела Чандрасекара в честь индийского физика, доказавшего в 1931 году ее существование. Чем больше масса карлика, тем меньше его радиус. Сила тяжести на таких звездах в десятки раз превышает таковую у поверхности Солнца. Впрочем, у Солнца в этом смысле все еще впереди: ему суждено через несколько миллиардов лет стать подобным карликом.

О температуре, размерах и светимости

Поверхностная температура белых карликов может достигать нескольких десятков и даже свыше сотни тысяч градусов (у Солнца – около 5800 К), а размеры сопоставимы с размерами Земли, то есть площадь излучающей поверхности чрезвычайно мала. Теперь ясно, почему у них такая низкая светимость – просто они маленькие.

Собственных термоядерных источников энергии они не имеют, и светимость их обусловлена огромным запасом внутреннего тепла, завися не от массы тела, а от возраста. Карлик может остывать очень долго – десятки и даже сотни миллиардов лет именно потому, что отдает излучение через малую поверхность. Молодые горячие карлики остывают быстрее. Максимум их излучения приходится на рентгеновский и жесткий ультрафиолетовый диапазоны. Так, на рентгеновском снимке Сириуса крохотный Сириус В светит мощнее, чем Сириус А – ярчайшая звезда на земном небе.

Спектры и химический состав


Этим интереснейшим объектам присвоен отдельный спектральный класс D, в котором выделяют несколько подклассов, связанных с особенностями спектров, отражающих состав тонкой атмосферы карликов.

Так, атмосфера может быть водородной или гелиевой, а также характеризоваться присутствием обоих этих элементов и примесью более тяжелых (все, что тяжелее гелия, в астрономии принято именовать «металлами»). Линии углерода, кислорода, кальция, железа (объяснить их присутствие иногда бывает трудно), обнаружены в спектрах многих белых карликов.

Характеристика состава недр, согласно современным моделям, следующая: они содержат довольно много углерода и кислорода (столько, сколько «наработала» родительская звезда), а также гелий с малой примесью водорода. Ядра всех этих элементов образуют подобие решетки, а электроны – вырожденный газ, поэтому вещество имеет некоторые свойства, сближающие его с металлом, например, высокую теплопроводность.

Белые карлики в тесных двойных системах

Карлики могут входить в состав двойных систем, звезды-компоненты которых сближены настолько, что обмениваются веществом. В этом случае массивный плотный карлик будет перетягивать на себя вещество компаньона.


Водород, попадающий от соседней звезды на горячую поверхность карлика, разогревается до температуры, при которой начинается термоядерный синтез. В этом случае наблюдается вспышка, называемая новой звездой.

Если же при падении водорода на карлик его масса превзойдет предел Чандрасекара, происходит коллапс, сопровождающийся взрывом сверхновой типа Ia. Наблюдение таких сверхновых в далеких галактиках представляет большой интерес, поскольку по яркости вспышек, имеющих одинаковые характеристики, устанавливают расстояние до галактик.

Объекты, полные загадок

Белый карлик – явление, отнюдь не редкое во Вселенной, но наблюдать их трудно из-за низкой светимости. Но иногда ученым везет на обнаружение интереснейших феноменов.

Например, в 1600 световых лет от нас в созвездии Рака находится тесная система, образованная двумя карликами. По оценкам астрономов, их разделяют всего 80 000 км – впятеро меньше, чем от Земли до Луны. Период их взаимного обращения составляет 5,4 минуты. Не исключено, что скоро они сольются, и произойдет вспышка сверхновой. Каким образом компоненты этой системы оказались настолько сближены, пока неясно.

Выше упоминались линии металлов в спектрах карликов. Ученые полагают, что эти элементы могут свидетельствовать о разрушении планет в процессе гибели родительской звезды. Как знать, возможно, в далеком будущем все, что останется от нашей планеты – это будут следы кремния, железа и кислорода в спектре карлика, в который превратится Солнце. Расстраиваться не стоит: это случится еще очень нескоро.


Детали процессов, приводящих к рождению этих удивительных объектов, тоже не ясны в полной мере, и модель эволюции их далеко не полна. Так что белые карлики – звезды, которые преподнесут астрофизикам еще множество сюрпризов, несмотря на то, что история их изучения насчитывает уже более сотни лет.

Источник: www.syl.ru

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.

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.


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.


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.


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.

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.

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.

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.

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.

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?

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.

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.

Источник: WarWays.ru

Открытие странных объектов

История изучения необычных звезд взяла старт в начале XX века, когда астрономы объединили результаты наблюдений нескольких близкорасположенных кратных звездных систем – 40 Эридана, Сириуса и Проциона. Выяснилось, что в каждой из этих систем один из компонентов характеризуется странным сочетанием свойств. Их орбитальные параметры свидетельствовали о достаточно большой массе, сравнимой с массой обычной звезды; спектральные характеристики указывали на высокую температуру. Светимость же этих объектов оказалась весьма малой – это были слабые, тусклые звездочки.

В 1917 году был открыт первый одиночный объект с подобными свойствами – звезда Ван Маанена, расположенная в 14 световых годах от Солнца. Масса ее составляет 0,7 солнечных масс, и при этом наше Солнце излучает более чем в пять тысяч раз мощнее, чем звезда Ван Маанена, получившая имя в честь своего первооткрывателя – голландского астронома, работавшего в США.

В 1922 году еще один голландский американец, В. Я. Лейтен, открывший несколько таких объектов, предложил для этого класса звезд название, которое мы употребляем и поныне: «белый карлик». Здесь термин «белый» означает «горячий» и связан со спектральными особенностями.

Немного об эволюции звезд

Ключевой параметр всех звезд – это масса. Она задает интенсивность всех происходящих в звезде процессов, так как от массы звезды зависит давление, плотность и, соответственно, температура вещества в ее недрах. А чем выше значения этих величин, тем выше вероятность каждого акта термоядерного синтеза, то есть он протекает с большей интенсивностью. Стабильность звезды поддерживается равновесием между силой ее гравитационного сжатия и силой давления, расталкивающей ее за счет энерговыделения в ходе ядерных реакций.

Масса же определяет и продолжительность стабильного существования звезды до исчерпания водорода как термоядерного горючего (этап «главной последовательности»), и ее дальнейшую судьбу. В конце этого периода своей жизни звезды в зависимости от массы испытывают те или иные изменения, итогом которых становится превращение их в объекты одного из трех типов: белые карлики, нейтронные звезды либо черные дыры. Нас будет интересовать первый вариант.

Сердце красного гиганта

Если масса звезды не превышает некоторой пороговой величины (1,44 массы Солнца), ей суждено стать карликом. Каким образом это происходит? После исчерпания водорода в центре звезды образуется плотное гелиевое ядро – в сущности, шлак, наработанный за время ее жизни.

Энергия больше не отводится из центра, значит, растут температура и плотность – ведь звезду сжимает собственная гравитация. В какой-то момент они достигают такого значения, при котором уже гелий способен вступать в реакцию синтеза, образуя углерод. В оболочке звезды в это время происходят процессы, ведущие к ее раздуванию и охлаждению внешних областей. Звезда становится красным гигантом.

Ядро красного гиганта имеет изотермические свойства, охлаждаясь в основном не за счет отдачи излучения с поверхности, а в результате уноса энергии нейтрино – частицами, для которых ядро прозрачно.

Красный гигант – нестабильная звезда. В конце концов, она теряет свои внешние слои – при этом образуются такие зрелищные космические феномены, как планетарные туманности. Остается только горячее гелиевое ядро с большим или меньшим содержанием углерода и – в очень малой концентрации – более тяжелых элементов (кислород). Это ядро и есть белый карлик.

Вырождение газа

Масса этого ядра сравнима с массой Солнца, а вот размер на два порядка меньше, нежели у нашего светила. Отсюда вывод: плотность белых карликов огромна. Она может составлять от сотен килограммов до тысяч тонн на кубический сантиметр. Что представляет собой вещество в таком состоянии: твердое тело или, может быть, жидкость? Нет, твердые тела и жидкости не могут существовать при таких плотностях, намного превышающих наиболее компактную упаковку атомов в веществе. Это особое состояние вещества.

Вследствие гигантских давлений электронные оболочки атомов в этом газе разрушены. Вещество являет собой чудовищно сжатую плазму, поведение которой возможно описать только с применением квантовой механики. Электроны не могут иметь одни и те же квантовые состояния («запрет Паули»), в силу чего скорости их принимают самые разнообразные значения. В обычном газе температура связана со скоростью частиц. В данном же случае, какую бы температуру ни имело вещество, скорости электронов с ней никак не связаны и могут достигать релятивистских значений. Такой электронный газ называется вырожденным.

Предел Чандрасекара

Давление вырожденного газа задается его плотностью. Оно, как и противодействующая сила гравитационного сжатия, имеет прямую зависимость (но в другой степени) от массы белых карликов и обратную – от их радиуса. То есть существуют такие значения массы, при которых давление будет уравновешивать гравитацию, что обеспечит стабильное существование карлика. Если же критическая величина 1,44 массы Солнца превышена, ядру звезды карликом не быть: давление не остановит сжатия, радиус будет продолжать уменьшаться, и сформируется нейтронная звезда.

Эта критическая масса носит наименование предела Чандрасекара в честь индийского физика, доказавшего в 1931 году ее существование. Чем больше масса карлика, тем меньше его радиус. Сила тяжести на таких звездах в десятки раз превышает таковую у поверхности Солнца. Впрочем, у Солнца в этом смысле все еще впереди: ему суждено через несколько миллиардов лет стать подобным карликом.

О температуре, размерах и светимости

Поверхностная температура белых карликов может достигать нескольких десятков и даже свыше сотни тысяч градусов (у Солнца – около 5800 К), а размеры сопоставимы с размерами Земли, то есть площадь излучающей поверхности чрезвычайно мала. Теперь ясно, почему у них такая низкая светимость – просто они маленькие.

Собственных термоядерных источников энергии они не имеют, и светимость их обусловлена огромным запасом внутреннего тепла, завися не от массы тела, а от возраста. Карлик может остывать очень долго – десятки и даже сотни миллиардов лет именно потому, что отдает излучение через малую поверхность. Молодые горячие карлики остывают быстрее. Максимум их излучения приходится на рентгеновский и жесткий ультрафиолетовый диапазоны. Так, на рентгеновском снимке Сириуса крохотный Сириус В светит мощнее, чем Сириус А – ярчайшая звезда на земном небе.

Спектры и химический состав

Этим интереснейшим объектам присвоен отдельный спектральный класс D, в котором выделяют несколько подклассов, связанных с особенностями спектров, отражающих состав тонкой атмосферы карликов.

Так, атмосфера может быть водородной или гелиевой, а также характеризоваться присутствием обоих этих элементов и примесью более тяжелых (все, что тяжелее гелия, в астрономии принято именовать «металлами»). Линии углерода, кислорода, кальция, железа (объяснить их присутствие иногда бывает трудно), обнаружены в спектрах многих белых карликов.

Характеристика состава недр, согласно современным моделям, следующая: они содержат довольно много углерода и кислорода (столько, сколько «наработала» родительская звезда), а также гелий с малой примесью водорода. Ядра всех этих элементов образуют подобие решетки, а электроны – вырожденный газ, поэтому вещество имеет некоторые свойства, сближающие его с металлом, например, высокую теплопроводность.

Белые карлики в тесных двойных системах

Карлики могут входить в состав двойных систем, звезды-компоненты которых сближены настолько, что обмениваются веществом. В этом случае массивный плотный карлик будет перетягивать на себя вещество компаньона.

Водород, попадающий от соседней звезды на горячую поверхность карлика, разогревается до температуры, при которой начинается термоядерный синтез. В этом случае наблюдается вспышка, называемая новой звездой.

Если же при падении водорода на карлик его масса превзойдет предел Чандрасекара, происходит коллапс, сопровождающийся взрывом сверхновой типа Ia. Наблюдение таких сверхновых в далеких галактиках представляет большой интерес, поскольку по яркости вспышек, имеющих одинаковые характеристики, устанавливают расстояние до галактик.

Объекты, полные загадок

Белый карлик – явление, отнюдь не редкое во Вселенной, но наблюдать их трудно из-за низкой светимости. Но иногда ученым везет на обнаружение интереснейших феноменов.

Например, в 1600 световых лет от нас в созвездии Рака находится тесная система, образованная двумя карликами. По оценкам астрономов, их разделяют всего 80 000 км – впятеро меньше, чем от Земли до Луны. Период их взаимного обращения составляет 5,4 минуты. Не исключено, что скоро они сольются, и произойдет вспышка сверхновой. Каким образом компоненты этой системы оказались настолько сближены, пока неясно.

Выше упоминались линии металлов в спектрах карликов. Ученые полагают, что эти элементы могут свидетельствовать о разрушении планет в процессе гибели родительской звезды. Как знать, возможно, в далеком будущем все, что останется от нашей планеты – это будут следы кремния, железа и кислорода в спектре карлика, в который превратится Солнце. Расстраиваться не стоит: это случится еще очень нескоро.

Детали процессов, приводящих к рождению этих удивительных объектов, тоже не ясны в полной мере, и модель эволюции их далеко не полна. Так что белые карлики – звезды, которые преподнесут астрофизикам еще множество сюрпризов, несмотря на то, что история их изучения насчитывает уже более сотни лет.

Источник: www.syl.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.