У каждой звезды своя судьба и своя продолжительность жизни. Наступает момент, когда она начинает угасать.

Белые карлики – это необычные звезды. Они состоят из вещества, плотность которого чрезвычайно высока. В теории звездной эволюции они рассматриваются как заключительный этап эволюции звезд малой и средней массы, сравнимыми с массой Солнца. По разным оценкам в нашей Галактике насчитывается 3-4 % таких звезд.

Таким образом, белые карлики подразделяются на две категории: те, чье сердце состоит из углерода и кислорода, и те, чье сердце по существу состоит из гелия. Нечеткие, белые карлики - это трудные предметы. Наблюдая за такими объектами, астрономы проверяют количество теорий. В частности, охлаждение белых карликов, очень медленное, позволяет использовать их как «космологические хронометры». Астрономы также задавались вопросом, могут ли белые карлики, которые никогда не были обнаружены, содержать скрытую массу Вселенной.

Белые карлики - плотные объекты. Их средняя плотность составляет 106 граммов на кубический сантиметр, что в миллион раз больше, чем у звезды, такой как солнце: чайная ложка вещества, выведенного из белого карлика, весит тонну! С такой плотностью поведение белого карликового газа отличается от поведения нормальной звезды, где давление, температура и плотность связаны приблизительно термодинамическим соотношением идеальных газов. В звезде газ находится в равновесии между собственной гравитацией, которая имеет тенденцию к ее разрушению, и давлением газа, который сопротивляется этому коллапсу.

Как же образуются белые карлики?



После того как в стареющей звезде выгорит весь водород, ее ядро сжимается и разогревается, - это способствует расширению ее внешних слоев. Эффективная температура звезды падает, и она превращается в красного гиганта. Разреженная оболочка звезды, очень слабо связанная с ядром, со временем рассеивается в пространстве, перетекая на соседние планеты, а на месте красного гиганта остается очень компактная звезда, называемая белым карликом.

У белых карликов плотность такова, что электроны оказывают давление квантовой природы, которое доминирует над давлением газа. Эта особенность обусловлена ​​тем, что электроны являются фермионами, то есть частицами, которые не могут занимать один и тот же уровень энергии. Когда кто-то сжимает такую ​​плотную массу электронов, они сопротивляются и занимают все более высокие уровни энергии, а нижние уровни заполняются. Результирующее давление, которое вырождает газ электронов, доминирует над давлением газа и обеспечивает баланс гравитации звезды.



Долгое время оставалось загадкой, почему белые карлики, имеющие температуру, превосходящую температуру Солнца, по сравнению с размерами Солнца невелики, пока не выяснилось, что плотность вещества внутри них предельно высока (в пределах 10 5 – 10 9 г/см 3). Стандартной зависимости - масса-светимость - для белых карликов не существует, что отличает их от других звезд. В чрезвычайно малом объеме «упаковано» огромное количество вещества, из-за чего плотность белого карлика почти в 100 раз больше плотности воды.

Удивительно, но эта связь предсказывает, что чем больше белый карлик массивный, тем ниже его радиус. Когда все ядерное топливо потребляется, Солнцеподобная звезда спонтанно сжимается под действием гравитации до точки превращения в небольшую белую сферу размером с планету. Маленькая звезда, расположенная в центре туманности, является сердцем бывшей гигантской звезды, которая потеряла свою атмосферу, которую мы теперь открываем в виде этого многоцветного кольца, и стала звездой белого карлика, которая медленно охлаждается и полностью исчезает с нашего взгляда через несколько миллиардов лет, оставляя за собой лишь туманный ореол, который постепенно потемнеет, единственный след его славного прошлого.

(На картинке сравнение размеров двух белых карликов с планетой Земля )

Температура белых карликов остается практически постоянной, несмотря на отсутствие внутри них термоядерных реакций. Чем же это объясняется? По причине сильного сжатия электронные оболочки атомов начинают проникать друг в друга. Это продолжается до тех пор, пока между ядрами расстояние не становится минимальным, равным радиусу наименьшей электронной оболочки. В результате ионизации электроны начинают свободно двигаться относительно ядер, а вещество внутри белого карлика приобретает физические свойства, которые характерны для металлов. В подобном веществе энергия к поверхности звезды переносится электронами, скорость которых по мере сжатия все больше увеличивается: некоторые из них двигаются со скоростью, соответствующей температуре в миллион градусов. Температура на поверхности и внутри белого карлика может резко отличаться, что не приводит к изменению диаметра звезды. Здесь можно привести сравнение с пушечным ядром – остывая, оно не уменьшается в объеме.

Если звезда более массивная, звезда пересекает границу Чандрасекара: в силу принципа неопределенности и под тяжестью, порожденным гравитацией, свободные электроны ядра проникают в ядерный зольник и вызывают реакцию. Внезапное прекращение реакций нуклеосинтеза, наконец, позволяет свободным электронам превращать протоны в нейтроны и превращать небесное тело в звездный нейтрон в пульсар. или в черной дыре, сущности еще более удивительны. Несмотря на строгость этой эволюции, астрофизики напоминают нам, что по-прежнему существуют неопределенности относительно количества электронов на барион в ядре такой звезды, что может сделать решение уравнения Чандрасекара более неустойчивым.



(На картинке звезда ван Маанена - тусклый белый карлик, находящийся в созвездии Рыб )

Угасает белый карлик крайне медленно: за сотни миллионов лет интенсивность излучения падает всего на 1%. Но в итоге он должен будет исчезнуть, превратившись в черного карлика, для чего могут потребоваться триллионы лет. Белые карлики вполне можно назвать уникальными объектами Вселенной. Воспроизвести в земных лабораториях условия, в которых они существуют, еще никому не удалось.

К этому добавляется тот факт, что профиль энтропии и кулоновское давление в ядре перенормируют некоторые факторы, приводящие к изменению массы Чандрасекара, так что даже сегодня критическая масса может изменяться между 2 солнечной массой и 0 Солнечная масса.

В карликовой звезде термодинамические реакции заменяются релятивистскими и квантовыми явлениями. Другими словами, в этом типе звезды химические реакции прерываются, они являются «холодными» звездами, которые можно моделировать на основе нулевой температуры.

Затянувшись до вырождения, атомы разрушаются, потому что электроны возобновили свою свободу. Этот материал, который не является ни газом, ни плазмой, не дает «давления дегенерации» или «давления Ферми», которое подчиняется принципу Это давление, которое объясняется в квантовых терминах, препятствует действию силы гравитации.

С массами порядка массы Солнца (М?) и радиусами, примерно в 100 раз меньшими, чем радиус Солнца. Средняя плотность вещества белых карликов 10 8 -10 9 кг/м 3 . Белые карлики составляют несколько процентов всех звёзд Галактики. Многие белые карлики входят в двойные звёздные системы. Первой звездой, отнесённой к белым карликам, был Сириус В (спутник Сириуса), открытый американским астрономом А. Кларком в 1862 году. В 1910-е годы белые карлики выделены в особый класс звёзд; их название связано с цветом первых представителей этого класса.

Состоит из сердца гигантских звезд, центральная температура карликовой звезды остается чрезвычайно высокой. В зависимости от возбуждения ядер он может достигать 100 миллионов градусов в начале цикла. Карликовые звезды быстро охлаждают, по крайней мере, в астрономических терминах, поэтому было обнаружено несколько карликовых звезд, не более тысячи г объекты.

В начале их жизни карликовые звезды сияют сине-белым свечением, но без эмоций: ни жара, ни холод не заставляют их реагировать, только наоборот. Карликовая звезда больше не имеет возможности сохранить свое тепло, если только чтобы записать вопрос о соседней звезде. Таким образом, если он образует пару с гигантской звездой, он потеряет некоторые верхние слои своей атмосферы в пользу карликовой звезды, которая увидит, что ее атмосфера заполнена водородом. Затем карликовая звезда превратится в катаклизмическую переменную звезду, которая может развиться в ночь после взрыва водородной оболочки.

Имея массу звезды и размер небольшой планеты, белый карлик обладает колоссальным притяжением вблизи своей поверхности, которое стремится сжать звезду. Но она сохраняет устойчивое равновесие, поскольку гравитационным силам противостоит давление вырожденного газа электронов: при высокой плотности вещества, характерной для белых карликов, концентрация практически свободных электронов в нём столь велика, что, согласно принципу Паули, они обладают большим импульсом. Давление вырожденного газа практически не зависит от его температуры, поэтому при остывании белый карлик не сжимается.

Атмосфера карликовой звезды приобретает очень странный вид, который не имеет ничего общего с обычной атмосферой: только водород или гелий, два более легких элемента выходят в атмосферу или что уместно назвать атмосферой, потому что, поскольку гравитационная сила, которая правит своей толщиной, не превышает нескольких сотен метров!

Другие карликовые звезды - источники света рентгеновского излучения и ультрафиолетового излучения очень высокой энергии. В обычной карликовой звезде атмосфера относительно холодная и настолько низкая, что она почти прозрачна для рентгеновских лучей. Звезды карлика не все имеют один и тот же химический состав, и они не все придерживаются той же эволюции. Астрономы классифицировали их на две группы, которые сами подразделяются в зависимости от температуры.

Чем больше масса белого карлика, тем меньше его радиус. Теория указывает для белых карликов верхний предел массы около 1,4М? (так называемый Чандрасекара предел), превышение которого приводит к гравитационному коллапсу. Наличие такого предела обусловлено тем, что по мере роста плотности газа скорость электронов в нём приближается к скорости света и далее возрастать не может. В результате давление вырожденного газа уже не способно противостоять силе тяготения.

Из этих «аномалий» видно, что звездная астрофизика пока не может предсказать эволюцию всех этих звезд. Эти удивительные открытия открыли новый путь в астрономической парадигме, о котором мы все еще не знали всего в конце года. Старение, масса которого порядка, чем у Земли, и размер, близкий к размеру Земли. Их большая плотность создает гигантские силы, которые царят там. Эти звезды довольно распространены во Вселенной; ближайший белый карлик находится на расстоянии 8, 6 световых лет, и считается, что Солнце станет одним из немногих миллиардов лет назад.

Белые карлики образуются в конце эволюции обычных звёзд с начальной массой менее 8М? после исчерпания ими запаса термоядерного горючего. В этот период звезда, пройдя через стадию красного гиганта и планетарной туманности, сбрасывает свои внешние слои и обнажает ядро, имеющее очень высокую температуру. Постепенно остывая, ядро звезды переходит в состояние белого карлика, продолжая ещё долго светить за счёт запасённой в недрах тепловой энергии. С возрастом светимость белого карлика падает. При возрасте около 1 миллиарда лет светимость белого карлика в тысячу раз ниже солнечной. Температуpa поверхности у изученных белых карликов лежит в диапазоне от 5·10 3 до 10 5 К.

Присутствие в спектре некоторых неожиданных линий удивило исследователей и тот факт, что они не соответствовали никаким сомнениям относительно надежности используемого оборудования. Когда они поняли, что эти линии были идентичны некоторым линиям, наблюдаемым в самых холодных зонах солнечной поверхности, они понимали, что это пришлось отнести к молекулам водорода. Считалось, однако, что при таких высоких температурах молекулы водорода немедленно будут диссоциированы на атомы, а интенсивность спектральной линии показывает, что требуется выживание около ста тысяч атомов водорода.

У некоторых белых карликов обнаружена оптическая переменность с периодами от нескольких минут до получаса, объясняемая проявлением гравитационных нерадиальных колебаний звезды. Анализ этих колебаний методами астросейсмологии позволяет изучать внутреннее строение белых карликов. В спектрах около 3% белых карликов наблюдается сильная поляризация излучения или зеемановское расщепление спектральных линий, что указывает на существование у них магнитных полей индукцией 3·10 4 -10 9 Гс.

Это могло бы помочь решить одну из самых сложных проблем, связанных с эволюцией, т.е. доли настоящего. В действительности атомная форма фактически не обнаруживается в атомной форме, но молекулы, содержащие этот изотоп, имеют характерные спектральные линии, на которые можно надеяться например, обнаружить на белых карликах.

Система двойных звезд, образованных из звезды размера, сравнимого с Солнцем, сопровождаемого более плотным и меньшим белым карликом. Наблюдаемая светимость уменьшается, когда белый карлик затушевывается, он увеличивается, когда белый карлик проходит спереди и играет роль гравитационной линзы.

Если белый карлик входит в тесную двойную систему, то существенный вклад в его светимость может давать термоядерное горение водорода, перетекающего с соседней звезды. Это горение часто носит нестационарный характер, что проявляется в виде вспышек новых и новоподобных звёзд. В редких случаях накопление водорода на поверхности белого карлика приводит к термоядерному взрыву с полным разрушением звезды, наблюдаемому как вспышка сверхновой.

У меня есть опыт в физике, астрономии и астрофизике. Часть моей работы также занимается астрономическими исследованиями. В частности, меня интересовало определение физических характеристик так называемых массивных звезд. Эти звезды, как правило, очень горячие, живут мало времени и заканчивают свою жизнь взрывным путем в форме. Эти звезды представляют собой одну из первых вех в развитии живой материи!

Тепловое давление звездных газов поддерживается ядерными реакциями в ядре звезды. В конце своей жизни ядерные реакции прекращаются, тепловое давление уменьшается, а звезда сокрушается сама по себе. Затем он становится меньше, компактнее и неумолимо охлаждается.

Лит.: Блинников С. И. Белые карлики. М., 1977; Шапиро С., Тьюколски С. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды: В 2 часть М., 1985.