БЕЛЫЙ КАРЛИК: ХАРАКТЕРИСТИКА, СОСТАВ, ФОРМИРОВАНИЕ, ВИДЫ - ARTE - 2025

Белый карлик звезда на последних этапах его эволюции, который уже использовал весь водород в ядре, а также в качестве топлива в своем внутреннем реакторе. В этих условиях звезда остывает и удивительно сжимается под действием собственной гравитации.

Он сохраняет тепло только во время своего существования, поэтому в некотором смысле белый карлик похож на тлеющий тлеющий тлеющий костер. Пройдут миллионы лет, прежде чем последнее дыхание его тепла покинет его, превратив его в холодный и темный объект.

Рисунок 1. Крупный план двойной системы Сириус A (главная звезда) и Сириус B (белый карлик) в рентгеновских лучах, сделанных Чандрой. Источник: Wikimedia Commons.

открытие

Хотя сейчас известно, что их много, их было нелегко обнаружить, поскольку они очень маленькие.

Первый белый карлик был обнаружен Уильямом Гершелем в 1783 году как часть звездной системы Эридана 40 в созвездии Эридано, самая яркая звезда которого - Ахернар, видимая зимой на юге (в северном полушарии).

40 Эридана состоит из трех звезд, одна из них, 40 Эридана А., видна невооруженным глазом, но 40 Эридана B и 40 Эридана C намного меньше. B - белый карлик, а C - красный карлик.

Спустя годы, после открытия системы 40 Эридана, немецкий астроном Фридрих Бессель в 1840 году обнаружил, что у Сириуса, самой яркой звезды Большого Пса, есть скрытый спутник.

Бессель наблюдал небольшие извилины на траектории Сириуса, объяснение которых могло заключаться только в близости другой звезды меньшего размера. Он назывался Сириус B, примерно в 10000 раз тусклее, чем великолепный Сириус А.

Оказалось, что Сириус B был меньше или меньше Нептуна, но имел невероятно высокую плотность и температуру поверхности 8000 K. А поскольку излучение Сириуса B соответствует белому спектру, его стали называть «белым карликом».

И с тех пор каждая звезда с этими характеристиками называется таковой, хотя белые карлики также могут быть красными или желтыми, поскольку у них разные температуры, из которых наиболее распространен белый цвет.

характеристики

На сегодняшний день зарегистрировано около 9000 звезд, классифицируемых как белые карлики, по данным Sloan Digital Sky Survey (SDSS), проекта, посвященного созданию подробных трехмерных карт известной вселенной. Как мы уже говорили, их нелегко обнаружить из-за их слабой светимости.

Вблизи Солнца есть довольно много белых карликов, многие из которых были открыты астрономами Г. Кайпером и В. Лейтеном в начале 1900-х годов. Поэтому его основные характеристики были сравнительно легко изучены по имеющейся технологии.

Самыми выдающимися являются:

- Маленький размер, сравнимый с планетой.

- Высокая плотность.

- Низкая светимость.

- Температуры в диапазоне от 100000 до 4000 К.

- У них есть магнитное поле.

- У них есть атмосфера из водорода и гелия.

- Сильное гравитационное поле.

- Низкие потери энергии из-за излучения, поэтому они очень медленно охлаждаются.

Из-за температуры и яркости известно, что их радиус очень мал. Белый карлик, температура поверхности которого сравнима с температурой Солнца, едва излучает одну тысячную своей светимости. Следовательно, поверхность карлика должна быть очень маленькой.

Рис. 2. Сириус B и планета Венера имеют примерно одинаковый диаметр. Tagged

Эта комбинация высокой температуры и малого радиуса делает звезду белой, как упоминалось выше.

Что касается их структуры, предполагается, что они имеют твердое ядро ​​кристаллической природы, окруженное материей в газообразном состоянии.

Это возможно благодаря последовательным превращениям, которые происходят в ядерном реакторе звезды: от водорода к гелию, от гелия к углероду и от углерода к более тяжелым элементам.

Это реальная возможность, потому что температура в ядре карлика достаточно низка для существования такого твердого ядра.

На самом деле, недавно был обнаружен белый карлик с алмазным ядром диаметром 4000 км, расположенный в созвездии Альфа Центавра, в 53 световых годах от Земли.

Плотность белых карликов

Вопрос о плотности белых карликов вызвал большой ужас у астрономов в конце 19 - начале 20 веков. Расчеты показали очень высокие плотности.

Белый карлик может иметь массу в 1,4 раза больше, чем наше Солнце, при сжатии до размеров Земли. Таким образом, его плотность в миллион раз больше, чем у воды, и это именно то, что поддерживает белый карлик. Как это возможно?

Квантовая механика утверждает, что частицы, подобные электронам, могут занимать только определенные уровни энергии. Существует также принцип, ограничивающий расположение электронов вокруг атомного ядра: принцип исключения Паули.

Согласно этому свойству материи, два электрона не могут иметь одинаковое квантовое состояние в одной и той же системе. Более того, в обычном веществе обычно заняты не все разрешенные уровни энергии, а лишь некоторые.

Это объясняет, почему плотность земных веществ составляет всего лишь несколько граммов на кубический сантиметр.

Вырожденная материя

Каждый энергетический уровень занимает определенный объем, поэтому область, занимающая один уровень, не перекрывается с областью другого. Таким образом, два уровня с одинаковой энергией могут сосуществовать без проблем, пока они не перекрываются, поскольку этому препятствует сила вырождения.

Это создает своего рода квантовый барьер, который ограничивает сжатие вещества в звезде, создавая давление, которое компенсирует гравитационный коллапс. Это поддерживает целостность белого карлика.

Между тем электроны заполняют все возможные энергетические позиции, быстро заполняя самые низкие из доступных и только самые высокие из доступных.

В этих условиях, когда все энергетические состояния заняты, материя находится в состоянии, которое в физике называется вырожденным состоянием. Это состояние максимально возможной плотности по принципу исключения.

Но поскольку неопределенность в положении △ x электронов минимальна из-за высокой плотности, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, неопределенность линейного момента △ p будет очень большой, чтобы компенсировать малость △ x и выполнить Так:

△ x △ p ≥ ћ / 2

Где ћ - это h / 2π, где h - постоянная Планка. Таким образом, скорость электронов приближается к скорости света, и давление, которое они оказывают, возрастает по мере увеличения столкновений.

Это квантовое давление, называемое давлением Ферми, не зависит от температуры. Вот почему белый карлик может иметь энергию при любой температуре, включая абсолютный ноль.

эволюция

Благодаря астрономическим наблюдениям и компьютерному моделированию формирование типичной звезды, такой как наше Солнце, происходит следующим образом:

- Во-первых, газ и космическая пыль, изобилующие водородом и гелием, конденсируются под действием силы тяжести, давая начало протозвезде, молодому звездному объекту. Протозвезда - это быстро сжимающаяся сфера, температура которой постепенно повышается в течение миллионов лет.

- При достижении критической массы и повышении температуры внутри звезды включается ядерный реактор. Когда это происходит, начинается синтез водорода, и звезда присоединяется к так называемой главной последовательности (см. Рисунок 3).

- Через некоторое время водород в ядре истощается, и начинается воспламенение водорода во внешних слоях звезды, а также гелия в ядре.

- Звезда расширяется, увеличивается яркость, понижается температура и становится красной. Это фаза красного гиганта.

- Самые внешние слои звезды отделяются благодаря звездному ветру и образуют планетарную туманность, хотя планет в ней нет. Эта туманность окружает ядро ​​звезды (намного горячее), которое, когда запасы водорода исчерпаны, начинает сжигать гелий, образуя более тяжелые элементы.

- Туманность рассеивается, оставляя сжимающееся ядро ​​исходной звезды, которое становится белым карликом.

Несмотря на то, что ядерный синтез прекратился, несмотря на то, что у звезды все еще есть материал, у звезды все еще есть невероятный запас тепла, которое очень медленно излучается радиацией. Эта фаза длится долго (около ^10-10 лет, примерный возраст Вселенной).

- После охлаждения свет, который он излучает, полностью исчезает, и белый карлик становится черным карликом.

Рисунок 3. Жизненный цикл звезд. Источник: Wikimedia Commons. Р. Н. Бейли

Эволюция Солнца

Скорее всего, наше Солнце в силу своих характеристик проходит описанные стадии. Сегодня Солнце - это взрослая звезда главной последовательности, но все звезды рано или поздно покидают его, хотя большую часть своей жизни они проводят там.

Ему потребуются многие миллионы лет, чтобы перейти на следующую стадию красного гиганта. Когда это произойдет, Земля и другие внутренние планеты будут поглощены восходящим Солнцем, но до этого океаны, скорее всего, испарятся, и Земля превратится в пустыню.

Не все звезды проходят эти стадии. Это зависит от его массы. Те, которые намного массивнее Солнца, имеют гораздо более впечатляющий финал, потому что они превращаются в сверхновые. Остаток в этом случае может быть своеобразным астрономическим объектом, например черной дырой или нейтронной звездой.

Предел Чандрасекара

В 1930 году 19-летний индуистский астрофизик по имени Субрахманян Чандрасекар определил существование критической массы у звезд.

Звезда, масса которой меньше этого критического значения, следует по пути белого карлика. Но если его масса будет чрезмерной, его дни закончатся колоссальным взрывом. Это предел Чандрасекара, который примерно в 1,44 раза больше массы нашего Солнца.

Он рассчитывается следующим образом:

Здесь N - количество электронов на единицу массы, ћ - постоянная Планка, деленная на 2π, c - скорость света в вакууме, а G - универсальная гравитационная постоянная.

Это не означает, что звезды размером больше Солнца не могут стать белыми карликами. На протяжении всего пребывания в главной последовательности звезда постоянно теряет массу. Он также делает это в стадии своего красного гиганта и планетарной туманности.

С другой стороны, когда звезда превратилась в белого карлика, мощная гравитация может притягивать массу от другой соседней звезды и увеличивать ее собственную. Как только предел Чандрасекара будет превышен, конец карлика - и другая звезда - может быть не таким медленным, как описанный здесь.

Эта близость может перезапустить потухший ядерный реактор и привести к огромному взрыву сверхновой (сверхновая звезда Ia).

Сочинение

Когда водород в ядре звезды превращается в гелий, он начинает сливать атомы углерода и кислорода.

А когда запасы гелия, в свою очередь, исчерпываются, белый карлик состоит в основном из углерода и кислорода, а в некоторых случаях и из неона и магния, при условии, что в ядре достаточно давления для синтеза этих элементов.

Рис. 4. Звезда AE Водолея - пульсирующий белый карлик. Источник: НАСА через Wikimedia Commons.

Возможно, карлик имеет тонкую атмосферу из гелия или водорода, поскольку из-за высокой поверхностной силы тяжести звезды тяжелые элементы имеют тенденцию скапливаться в центре, оставляя более легкие на поверхности.

В некоторых карликах возможно даже сплавить атомы неона и создать твердые ядра железа.

Повышение квалификации

Как мы уже говорили в предыдущих абзацах, белый карлик формируется после того, как звезда исчерпывает запас водорода. Затем он набухает и расширяется, а затем вытесняет материю в виде планетарной туманности, оставляя ядро ​​внутри.

Это ядро, состоящее из вырожденного вещества, известно как белый карлик. Когда его термоядерный реактор выключен, он сжимается и медленно охлаждается, теряя всю свою тепловую энергию и светимость.

Виды белых карликов

Для классификации звезд, в том числе белых карликов, используется спектральный класс, который, в свою очередь, зависит от температуры. Чтобы назвать карликовые звезды, используется заглавная буква D, за которой следует одна из этих букв: A, B, C, O, Z, Q, X. Эти другие буквы: P, H, E и V обозначают другую серию характеристик, во многом более конкретный.

Каждая из этих букв обозначает характерную особенность спектра. Например, звезда DA - это белый карлик, в спектре которого есть линия водорода. А у карлика DAV есть линия водорода, и, кроме того, V указывает на то, что это переменная или пульсирующая звезда.

Наконец, число от 1 до 9 добавляется к серии букв, чтобы указать температурный индекс n:

n = 50400 / эффективное T звезды

Другая классификация белых карликов основана на их массе:

- Около 0,5 м вс

- Средняя масса: от 0,5 до 8 раз M Sol

- От 8 до 10 масс Солнца.

Примеры белых карликов

- Сириус B в созвездии Can Major, спутник Сириуса A, самой яркой звезды в ночном небе. Это самый близкий белый карлик из всех.

- AE Aquarii - белый карлик, излучающий рентгеновские импульсы.

- 40 Эридана B, далекие 16 световых лет. Наблюдается в телескоп

- HL Tau 67 принадлежит созвездию Тельца и представляет собой переменный белый карлик, первый обнаруженный в своем роде.

- DM Lyrae является частью двойной системы и представляет собой белый карлик, который взорвался как новая звезда в 20 веке.

- WD B1620 - белый карлик, тоже принадлежащий к двойной системе. Звезда-компаньон - пульсирующая звезда. В этой системе есть планета, которая вращается вокруг них обоих.

- Процион B, компаньон Проциона A, в созвездии Малой Собаки.

Рисунок 5. Двойная система Процион, белый карлик - крошечная точка справа. Источник: Джузеппе Донатьелло через Flickr.

Ссылки

1. Кэрролл Б. Введение в современную астрофизику. Второй. Издание. Пирсон.
2. Мартинес, Д. Звездная эволюция. Получено из: Google Книги.
3. Олайзола, И. Белые карлики. Получено с: telesforo.aranzadi-zientziak.org.
4. Остер, Л. 1984. Современная астрономия. От редакции Reverté.
5. Wikipedia. Белые карлики. Получено с: es. wikipedia.org.
6. Wikipedia. Список белых карликов. Восстановлено с en.wikipedia.org.