Коли ми дивимося на нічне небо, нам здається, що всі зірки однакові. Людське око з великими труднощами розрізняє видимий спектр світла, випромінюваного далекими небесними світилами. Зірка, яку ще ледь видно, може вже давно згасла, і ми спостерігаємо тільки її світло. Кожна із зірок проживає своє життя. Одні світять рівним білим світлом, інші виглядають пульсуючими неоновим світлом яскравими точками. Треті являють собою тьмяні світні цятки, ледь помітні в небі.
Кожна із зірок перебуває на певному етапі своєї еволюції і з плином часу перетворюється в небесне світило іншого класу. Замість яскравої і сліпучою точки на нічному небі з'являється новий космічний об'єкт - білий карлик - старіюча зірка. Цей етап еволюції характерний для більшості звичайних зірок. Чи не уникнути подібної долі і до нашого Сонця.
Що таке білий карлик: зірка або фантом?
Тільки недавно, в XX столітті вченим стало зрозуміло, що білий карлик - це все, що залишилося в космосі від звичайної зірки. Вивчення зірок з точки зору термоядерної фізики дало уявлення про процеси, які вирують в надрах небесних світил. Зірки, що утворилися в результаті взаємодії сил гравітації, є колосальний термоядерний реактор, в якому постійно відбуваються ланцюгові реакції поділу ядер водню і гелію. В таких складних системах темпи еволюції компонентів неоднакові. Величезні запаси водню забезпечують життя зірки на мільярди років вперед. Термоядерні водневі реакції сприяють утворенню гелію і вуглецю. Слідом за термоядерним синтезом в справу вступають закони термодинаміки.
Після того, як зірка витратила весь водень, її ядро під впливом гравітаційних сил і колосального внутрішнього тиску починає стискатися. Втрачаючи основну частину своєї оболонки, небесне світило досягає межа маси зірки, при якій може існувати як білий карлик, позбавлений джерел енергії, продовжуючи за інерцією випромінювати тепло. Насправді білі карлики - це зірки з класу червоних гігантів і надгігантів, які втратили зовнішню оболонку.
Термоядерний синтез виснажує зірку. Водень вичерпується, а гелій, як більш масивний компонент може проеволюціоніровать далі, досягнувши нового стану. Все це призводить до того, що спочатку червоні гіганти утворюються на місці звичайної зірки, і зірка залишає головну послідовність. Таким чином, небесне світило, вставши на шлях свого повільного і неминучого старіння поступово трансформується. Старість зірки - це довгий шлях в небуття. Все це відбувається дуже повільно. Білий карлик є небесним світилом, з яким поза межами головної послідовності, відбувається неминучий процес згасання. Реакція синтезу гелію призводить до того, що ядро старіючої зірки стискається, світило остаточно втрачає свою оболонку.
Еволюція білих карликів
Поза головної послідовності відбувається процес згасання зірки. Під впливом сил гравітації нагрітий газ червоних гігантів і надгігантів розлітається по Всесвіту, утворюючи молоду планетарну туманність. Через сотні тисяч років туманність розсіюється, а на її місці залишається вироджене ядро червоного гіганта білого кольору. Температури такого об'єкта досить високі від 90000 К, оцінюючи по лінії поглинання спектра і до 130000 К, коли оцінка здійснюється в межах рентгенівського спектра. Однак з огляду на невеликі розміри, охолодження небесного світила відбувається дуже повільно.
Та картина зоряного неба, яку ми спостерігаємо, має вік в десятки-сотні мільярдів років. Там, де ми бачимо білі карлики, в просторі вже можливо існує інше небесне тіло. Зірка перейшла в клас чорного карлика, кінцевий етап еволюції. Насправді на місці зірки залишається згусток матерії, температура якого дорівнює температурі навколишнього простору. Головна особливість цього об'єкта - повна відсутність видимого світла. Помітити таку зірку в звичайний оптичний телескоп досить важко через слабку світності. Основним критерієм виявлення білих карликів є наявність потужного ультрафіолетового випромінювання і рентгенівських променів.
Всі відомі білі карлики в залежності від свого спектра діляться на дві групи:
- об'єкти водневі, спектрального класу DA, в спектрі яких відсутні лінії гелію;
- гелієві карлики, спектральний клас DB. Основні лінії в спектрі припадають на гелій.
Білі карлики водневого типу складають більшість популяції, до 80% з усіх відомих на даний момент об'єктів подібного типу. На гелієві карлики доводиться залишилися 20%.
Етап еволюції, в результаті якої з'являється білий карлик, є останнім для немасивна зірок, до яких відноситься і наша зірка Сонце. На даному етапі зірка володіє наступними характеристиками. Незважаючи на настільки маленькі і компактні розміри зірки, її зоряне речовина важить рівно стільки, скільки потрібно для її існування. Іншими словами, білі карлики, які мають радіуси в 100 разів менше радіуса сонячного диска, мають масу рівну масі Сонця або навіть важать більше, ніж наша зірка.
Цього говорить про те, що щільність білого карлика в мільйони разів більша за густину звичайних зірок, що знаходяться в межах головної послідовності. Наприклад, щільність нашої зірки 1,41 г / см³, тоді як щільність у білих карликів може досягати колосальних значень 105-110 г / см3.
За відсутності власних джерел енергії, такі об'єкти поступово остигають, відповідно мають невисоку температуру. На поверхні білих карликів зафіксована температура в діапазоні 5000-50000 градусів Кельвіна. Чим старше зірка, тим нижче її температура.
Наприклад, сусідка найяскравішої зірки нашого небосхилу Сіріуса А, білий карлик Сіріус В, має температуру поверхні лише 2100 градусів Кельвіна. Всередині це небесне тіло значно гарячіша, майже 10000 ° К. Сіріус В став першим з білих карликів, виявлених астрономами. Колір білих карликів, відкритих після Сіріуса В, виявився таким же білим, що і послужило приводом дати таку назву цього класу зірок.
За яскравості світла Сіріус А в 22 рази перевищує яскравість нашого Сонця, а ось її сестра Сіріус В світить тьмяним світлом, помітно поступаючись по яскравість своєї сліпучої сусідці. Виявити присутність білого карлика вдалося завдяки знімкам Сіріуса, зробленим рентгенівським телескопом Чандра. Білі карлики не володіють яскраво вираженим світловим спектром, тому прийнято вважати такі зірки досить холодними темними космічними об'єктами. В інфрачервоному і в рентгенівському діапазоні Сіріус В світить значно яскравіше, продовжуючи випромінювати величезну кількість теплової енергії. На відміну від звичайних зірок, де джерелом рентгенівських хвиль служить корона, джерелом випромінювання у білих карликів є фотосфера.
Перебуваючи поза головної послідовності за поширеністю ці зірки не найпоширеніші об'єкти у Всесвіті. У нашій галактиці на частку білих карликів доводиться всього 3-10% небесних світил. Для цієї частини зоряного населення нашої галактики невизначеність оцінки ускладнює слабкість випромінювання у видимій області поляри. Іншими словами, світло білих карликів не в змозі подолати великі скупчення космічного газу, з яких складаються рукава нашої галактики.
Науковий погляд на історію появи білих карликів
Далі в небесні світила на місці пересохлих основних джерел термоядерної енергії виникає нове джерело термоядерної енергії, потрійна гелієва реакція, або потрійний альфа-процес, що забезпечує вигоряння гелію. Ці припущення повністю підтвердилися, коли з'явилася можливість спостерігати поведінку зірок в інфрачервоному діапазоні. Спектр світла звичайної зірки істотно відрізняється від тієї картини, яку ми спостерігаємо, дивлячись на червоні гіганти і білі карлики. Для вироджених ядер таких зірок існує верхня межа маси, в іншому випадку небесне тіло стає фізично нестійким і може настати колапс.
Пояснити таку високу щільність, яку мають білі карлики з точки зору фізичних законів практично неможливо. Процеси, що відбуваються стали зрозумілі, тільки завдяки квантовій механіці, яка дозволила вивчити стан електронного газу зоряної речовини. На відміну від звичайної зірки, де для вивчення стану газу використовується стандартна модель, в білих карликів вчені мають справу з тиском релятивистского виродженого електронного газу. Говорячи зрозумілою мовою, спостерігається наступне. При величезному стисненні в 100 і більше разів, зоряне речовина стає схоже на один великий атом, в якому всі атомні зв'язку і ланцюжки зливаються воєдино. В такому стані електрони утворюють вироджених електронний газ, нове квантове утворення якого може протистояти силам гравітації. Цей газ утворює щільне ядро, позбавлене оболонки.
При детальному вивченні білих карликів за допомогою радіотелескопів і рентгенівської оптики виявилося, що ці небесні об'єкти не такі прості і нудні, як може здатися на перший погляд. З огляду на відсутність всередині таких зірок термоядерних реакцій, мимоволі виникає питання - звідки береться величезний тиск, зуміло врівноважити сили гравітації і сили внутрішнього тяжіння.
В результаті досліджень вчених фізиків в галузі квантової механіки, була створена модель білого карлика. Під дією сил гравітації, зоряне речовина стискається до такого ступеня, що електронні оболонки атомів руйнуються, електрони починають своє власне хаотичний рух, переходячи з одного стану в інший. Ядра атомів за відсутності електронів утворюють систему, утворюючи між собою міцну і стійку зв'язок. Електронів в зоряному речовині настільки багато, що утворюється багато станів, відповідно швидкість електронів зберігається. Велика швидкість елементарних частинок створює колосальну внутрішньо тиск електронного виродженого газу, який в змозі протистояти силам гравітації.
Коли стали відомі білі карлики?
Незважаючи на те, що першим білим карликом, відкритим астрофізиками, вважається Сіріус В, є прихильники версії більш раннього знайомства наукового співтовариства із зірковими об'єктами цього класу. Ще в 1785 році астроном Гершель вперше включив у зоряний каталог потрійну зоряну систему в сузір'ї Ерідана, розділивши всі зірки окремо. Тільки через 125 років астрономи виявили аномально низьку світність 40 Ерідана В при високій температурі кольору, що послужило приводом для виділення таких об'єктів в окремий клас.
Об'єкт мав слабким блиском, відповідним зоряної величини + 9,52m. Білий карлик мав масою ½ сонячної і мав діаметр менше земного. Ці параметри суперечили теорії внутрішньої будови зірок, де світність, радіус і температура поверхні зірки були ключовими параметрами визначення класу зірки. Маленький діаметр, низька світність з точки зору фізичних процесів не відповідали високою колірною температурі. Така невідповідність викликало багато питань.
Аналогічним чином виглядала ситуація з іншим білим карликом - Сірусом В. Будучи супутником найяскравішої зірки білий карлик має невеликі розміри і велику щільність зоряного речовини - 106 г / см3. Для порівняння, речовина цього небесного світила кількістю із сірникову коробку важило б на нашій планеті більше мільйона тонн. Температура цього карлика в 2,5 рази вище головної зірки системи Сіріус.
Останні наукові висновки
Небесні світила, з якими ми маємо справу, є природний полігон, завдяки якому людина може вивчити будову зірок, етапи їх еволюції. Якщо народження зірок можна пояснити фізичними законами, які однаково діють в будь-якій обстановці, то еволюція зірок представлена зовсім іншими процесами. Наукове пояснення багатьох з них переходить в категорію квантової механіки, науки про елементарні частинки.
Білі карлики виглядають в цьому світі самими загадковими об'єктами:
- По-перше, дуже цікаво виглядає процес виродження ядра зірки, в результаті якого зоряне речовина не розлітається в космосі, а навпаки, стискується до неймовірних розмірів;
- По-друге, при відсутності термоядерних реакцій, білі карлики залишаються досить гарячими космічними об'єктами;
- По-третє, ці зірки, маючи високу колірну температуру, мають низьку світність.
На ці та багато інших питань вченими всіх мастей, астрофізикам, фізикам і ядерників ще належить дати відповіді, які дозволять передбачити долю нашого рідного світила. Сонце чекає доля білого карлика, проте залишається під питанням, чи зможе людина спостерігати Сонце в цій ролі.
