БІЛИЙ КАРЛИК: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СКЛАД, УТВОРЕННЯ, ВИДИ - АРТЕ - 2025

Білий карлик зірка на останніх етапах його еволюції, який вже використав весь водень в ядрі, а також в якості палива в своєму внутрішньому реакторі. За цих обставин зірка охолоджується і дивовижно стискається завдяки власній силі тяжіння.

У ньому зберігається лише тепло, яке зберігається протягом свого існування, тож певним чином, білий карлик схожий на вугор, який залишається після гасіння колосального багаття. Мине мільйони років, поки останній подих його тепла покине його, перетворивши його в холодний і темний предмет.

Малюнок 1. Закриття двійкової системи Сіріус А (головна зірка) та Сіріус В (білий карлик) на рентгенівських знімках, зроблених Чандрою. Джерело: Wikimedia Commons.

Відкриття

Хоча їх зараз відомо в достатку, їх ніколи не було легко помітити, оскільки вони надзвичайно малі.

Першого білого гнома було відкрито Вільгельмом Гершелем у 1783 р., Як частина зіркової системи Ерідані 40, у сузір’ї Ерідано, найяскравішою зіркою якого є Ахернар, видно на півдні (у північній півкулі) протягом зими.

40 Ерідані складається з трьох зірок, одна з них, 40 Ерідана А. видно неозброєним оком, але 40 Ерідані Б і 40 Ерідані С набагато менші. Б - білий карлик, а С - червоний гном.

Через роки, після відкриття системи Ерідані 40, німецький астроном Фрідріх Бессель виявив у 1840 році, що Сіріус, найяскравіша зірка Каніс-Майор, має стриманого супутника.

Бессель спостерігав невеликі синусоїди на траєкторії Сіріуса, пояснення яких не могло бути, як близькість іншої меншої зірки. Його називали Сіріус В, приблизно в 10000 разів тьмяніше, ніж чудовий Сіріус А.

Виявилося, що Сіріус В був таким же маленьким чи меншим, ніж Нептун, але з неймовірно високою щільністю та поверхневою температурою 8000 К. А оскільки випромінювання Сіріуса В відповідає спектру білого, його стали називати "білим карликом".

І відтоді кожну зірку з цими характеристиками називають так, хоча білі карлики також можуть бути червоними або жовтими, оскільки вони мають різну температуру, білі - найпоширеніші.

характеристики

На сьогоднішній день було зафіксовано близько 9000 зірок, віднесених до білих карликів, згідно з даними Sloan Digital Sky Survey (SDSS), проекту, присвяченого виготовленню детальних тривимірних карт відомого Всесвіту. Як ми вже говорили, їх виявити непросто через слабку світність.

В околицях Сонця є досить багато білих карликів, багато з них виявлені астрономами Г. Куйпером та В. Луйтеном на початку 1900-х років. Тому основні його характеристики були вивчені відносно легко, відповідно до наявної технології.

Найвидатнішими є:

- Невеликий розмір, порівнянний з планетою.

- Висока щільність.

- Низька освітленість.

- Температури в межах 100000 і 4000 К.

- У них магнітне поле.

- У них є атмосфера водню та гелію.

- Інтенсивне гравітаційне поле.

- Низькі втрати енергії через радіацію, через що вони охолоджуються дуже повільно.

Завдяки температурі та світимості відомо, що їх радіуси дуже малі. Білий карлик, температура поверхні якого схожа на температуру Сонця, ледь випромінює одну тисячну частину його світності. Тому поверхня карлика повинна бути дуже маленькою.

Малюнок 2. Сіріус В і планета Венера мають приблизно однаковий діаметр. Позначено тегами

Це поєднання високої температури та малого радіусу робить зірку білою, як було сказано вище.

Щодо їх будови, припускається, що вони мають міцне ядро ​​кристалічної природи, оточене речовиною в газоподібному стані.

Це можливо завдяки послідовним перетворенням, які відбуваються в ядерному реакторі зірки: від водню до гелію, від гелію до вуглецю та від вуглецю до важчих елементів.

Це реальна можливість, тому що температура в серцевині карлика досить низька, щоб існувала така міцна серцевина.

Насправді нещодавно було виявлено білий карлик, який, як вважається, діамантовим ядром діаметром 4000 км, розташований у сузір'ї Альфа Кентавра, що знаходиться в 53 світлових роках від Землі.

Густота білих карликів

Питання про щільність білих карликів викликало велике занепокоєння серед астрономів наприкінці 19 - початку 20 століть. Розрахунки вказували на дуже високі щільності.

Білий карлик може мати масу в 1,4 рази більше, ніж наше Сонце, стиснуту до розміру Землі. Таким чином, його щільність в мільйон разів більша, ніж у води, і саме це підтримує білого карлика. Як це можливо?

Квантова механіка стверджує, що частинки, як електрони, можуть займати лише певні енергетичні рівні. Існує також принцип, що обмежує розташування електронів навколо атомного ядра: принцип виключення Паулі.

Відповідно до цієї властивості матерії, неможливо, щоб два електрони мали однаковий квантовий стан у межах однієї системи. І крім того, у звичайній речовині зазвичай не всі дозволені рівні енергії зайняті, лише деякі є.

Це пояснює, чому щільність наземних речовин становить лише близько кількох грам на кубічний сантиметр.

Вироджена матерія

Кожен рівень енергії займає певний обсяг, так що область, що займає один рівень, не перетинається з іншою. Таким чином, два рівні з однаковою енергією можуть співіснувати без проблем, до тих пір, поки вони не перекриватимуться, оскільки існує сила виродження, яка перешкоджає цьому.

Це створює своєрідний квантовий бар'єр, який обмежує скорочення речовини в зірці, створюючи тиск, що компенсує гравітаційний колапс. Це підтримує цілісність білого карлика.

Тим часом електрони заповнюють усі можливі енергетичні позиції, швидко заповнюючи найнижчі і лише ті, що мають найвищу енергію.

За цих обставин, зайняті всі енергетичні стани, матерія перебуває у стані, який у фізиці називають виродженим станом. Це стан максимально можливої ​​щільності, за принципом виключення.

Але оскільки невизначеність у положенні △ x електронів мінімальна, через високу щільність, за принципом невизначеності Гейзенберга, невизначеність у лінійному моменті △ p буде дуже великою, щоб компенсувати малі △ x і виконати Так:

△ x △ p ≥ ћ / 2

Де ћ h / 2π, де h - константа Планка. Таким чином, швидкість електронів наближається до швидкості світла, а тиск, який вони чинять, збільшується, оскільки також збільшуються зіткнення.

Цей квантовий тиск, який називається тиском Фермі, не залежить від температури. Ось чому білий карлик може мати енергію при будь-якій температурі, включаючи абсолютний нуль.

Еволюція

Завдяки астрономічним спостереженням та комп’ютерному моделюванню формування типової зірки, як наше Сонце, здійснюється таким чином:

- По-перше, газовий та космічний пил, багатий воднем та гелієм, конденсуються завдяки гравітації, щоб створити протостар, молодий зоряний об’єкт. Протостар - це сфера, що швидко стискається, температура якої поступово збільшується протягом мільйонів років.

- Після досягнення критичної маси та підвищення температури ядерний реактор включається всередині зірки. Коли це відбувається, починається синтез водню і зірка приєднується до так званої основної послідовності (див. Рисунок 3).

- Через час водень у ядрі вичерпується і починається запалення водню в найвіддаленіших шарах зірки, а також гелію в ядрі.

- Зірка розширюється, збільшуючи яскравість, знижуючи свою температуру і червоніючи. Це фаза червоного гіганта.

- Зовнішні шари зірки відриваються завдяки зоряному вітру і утворюють планетарну туманність, хоча в ній немає планет. Ця туманність оточує ядро ​​зірки (набагато спекотніше), яке після вичерпання резерву водню починає спалювати гелій, утворюючи важчі елементи.

- Туманність розсіюється, залишаючи контрактне ядро ​​первісної зірки, яка стає білим карликом.

Хоча ядерний синтез припинився, незважаючи на те, що він все ще мав матеріал, у зірки все ще є неймовірний запас тепла, який випромінюється дуже повільно. Ця фаза триває тривалий час (приблизно 10 ¹⁰ років, орієнтовний вік Всесвіту).

- Коли холодно, то світло, яке воно випромінювало, повністю зникає, а білий карлик стає чорним карликом.

Малюнок 3. Життєвий цикл зірок. Джерело: Wikimedia Commons. Р. Н. Бейлі

Еволюція Сонця

Швидше за все, наше Сонце, завдяки своїм характеристикам, проходить описані етапи. Сьогодні Сонце - це доросла зірка в основній послідовності, але всі зірки залишають її в якийсь момент рано чи пізно, хоча більшу частину свого життя там проводять.

Пройде багато мільйонів років, щоб він перейшов до наступної стадії червоного гіганта. Коли це станеться, Земля та інші внутрішні планети будуть охоплені висхідним Сонцем, але до цього океани, швидше за все, випаруються і Земля стане пустелею.

Не всі зірки проходять ці етапи. Це залежить від його маси. Ті, які є набагато більш масивними, ніж Сонце, мають набагато ефектніший кінець, тому що вони виявляються суперновами. Залишок у цьому випадку може бути своєрідним астрономічним об’єктом, таким як чорна діра або нейтронна зірка.

Межа Чандрасехара

У 1930 році 19-річний індуїстський астрофізик на ім’я Субрахманян Чандрасехар визначив існування критичної маси у зірках.

Зірка, маса якої нижче цієї критичної величини, йде по шляху білого карлика. Але якщо його маса переважає вершину, його дні закінчуються колосальним вибухом. Це межа Чандрасехара і приблизно в 1,44 рази перевищує масу нашого Сонця.

Він розраховується так:

Тут N - кількість електронів на одиницю маси,'s - константа Планка, поділена на 2π, c - швидкість світла у вакуумі, а G - універсальна гравітаційна константа.

Це не означає, що зірки, більші за Сонце, не можуть стати білими карликами. Протягом свого перебування в основній послідовності зірка постійно втрачає масу. Це також робиться у своїй червоній гігантській та планетарній стадії туманності.

З іншого боку, щойно перетворившись у білого карлика, потужна сила зірки може залучати масу від іншої сусідньої зірки і збільшувати свою власну. Після перевищення межі Чандрасехара кінець карлика - та інша зірка - може бути не таким повільним, як описаний тут.

Ця близькість може перезапустити згаслий ядерний реактор і призвести до величезного вибуху наднової (наднових Ia).

Склад

Коли водень у ядрі зірки перетворюється на гелій, він починає плавити атоми вуглецю та кисню.

А коли запас гелію вичерпується в свою чергу, білий карлик складається в основному з вуглецю і кисню, а в деяких випадках з неону і магнію, за умови, що в ядрі достатній тиск для синтезу цих елементів.

Малюнок 4. Зірка А. Е. Акварі - пульсуючий білий карлик. Джерело: NASA через Вікімедію.

Можливо, у карлика є тонка атмосфера гелію або водню, оскільки як поверхнева сила зірки висока, важкі елементи, як правило, накопичуються в центрі, залишаючи на поверхні легші.

У деяких карликів навіть можливе злиття неонових атомів і створення твердих залізних ядер.

Навчання

Як ми говорили у попередніх пунктах, білий карлик утворюється після того, як зірка виснажує запас водню. Потім він набрякає і розширюється, а потім виганяє матерію у вигляді планетарної туманності, залишаючи ядро ​​всередині.

Це ядро, що складається з виродженої речовини, - це те, що відомо як біла карликова зірка. Після того, як його термоядерний реактор вимкнений, він повільно стискається і охолоджується, втрачаючи всю свою теплову енергію та світність.

Типи білих карликів

Для класифікації зірок, включаючи білих карликів, використовується спектральний тип, який у свою чергу залежить від температури. Для назви карликових зірок використовується велика літера D, а потім одна з цих літер: A, B, C, O, Z, Q, X. Ці інші літери: P, H, E і V позначають ще одну серію характеристик більш конкретний.

Кожна з цих літер позначає визначну особливість спектру. Наприклад, зірка DA - це білий карлик, у спектрі якого є воднева лінія. А карлик DAV має лінію водню і, крім того, V означає, що це змінна або пульсуюча зірка.

Нарешті, до рядів літер додається число від 1 до 9 для позначення температурного показника n:

n = 50400 / ефективний T зірки

Ще одна класифікація білих карликів заснована на їх масі:

- Близько 0,5 М нд

- Середня маса: від 0,5 до 8 разів M Sol

- Від 8 до 10 разів більше маси Сонця.

Приклади білих карликів

- Сіріус В у сузір'ї Кан Майор, супутник Сіріуса А, найяскравішої зірки на нічному небі. Це найближчий білий карлик із усіх.

- AE Aquarii - білий карлик, який випромінює рентгенівські імпульси.

- 40 Ерідані Б, далекі 16 світлових років. Це спостерігається за допомогою телескопа

- HL Tau 67 належить до сузір'я Тельців і є змінним білим карликом, першим у своєму роді виявленим.

- Д.М. Ліра є частиною бінарної системи і є білим карликом, який вибухнув як нова у 20 столітті.

- WD B1620 - білий карлик, який також належить до двійкової системи. Супутникова зірка - це пульсуюча зірка. У цій системі є планета, яка обертає їх обох.

- Процион В, супутник Проціона А, у сузір'ї Малої Собаки.

Малюнок 5. Бінарна система Procyon, білий карлик - це крихітна крапка справа. Джерело: Джузеппе Донатіелло через Flickr.

Список літератури

1. Керролл, Б. Вступ до сучасної астрофізики. 2-й. Видання. Пірсон.
2. Мартинес, Д. Зоряна еволюція. Відновлено з: Книги Google.
3. Олайзола, І. Білі карлики. Відновлено з: teleforo.aranzadi-zientziak.org.
4. Остер, Л. 1984. Сучасна астрономія. Редакційна реверте.
5. Вікіпедія. Білі гноми. Відновлено: es. wikipedia.org.
6. Вікіпедія. Список білих гномів. Відновлено з сайту en.wikipedia.org