Свет белых карликов рассказывает о судьбе их мертвых планетных систем: их можно наблюдать в атмосферах такого типа звезд. Объясняем, что белые карлики могут рассказать нам об экзопланетах, истории Вселенной и как.
Что такое белые карлики?
Белые карлики — звезды, состоящие из электронно-ядерной плазмы, лишенные источников термоядерной энергии и слабо светящиеся благодаря своей тепловой энергии, постепенно остывая и краснея.
Ближайший известный белый карлик — Сириус B, находящийся на расстоянии в 8,6 световых лет. Предполагается, что среди ста ближайших к Солнцу звездных систем белыми карликами являются восемь звезд. В настоящее время белые карлики составляют, по разным оценкам, от 3 до 10% звездного населения нашей галактики (неопределенность оценки обусловлена трудностью наблюдения удаленных белых карликов из-за их малой светимости).
Белые карлики образуются в процессе эволюции звезд, чья масса недостаточна для превращения в нейтронную звезду, а именно не превышает около 10 масс Солнца, каковых в нашей галактике более 97% от общего количества. Когда звезда главной последовательности малой или средней массы заканчивает превращение водорода в гелий, она расширяется, становясь красным гигантом.
Красный гигант поддерживается термоядерными реакциями превращения гелия в углерод и кислород. Если масса красного гиганта оказывается недостаточной для подъема температуры ядра до уровня, необходимого для термоядерных реакций с участием полученного углерода, происходит его накопление в ядре звезды, вместе с кислородом.
Звезда сбрасывает внешнюю оболочку, формируя планетарную туманность, а бывшее ядро звезды становится белым карликом, состоящим из углерода и кислорода.
Происхождение белых карликов
В объяснении генезиса белых карликов ключевую роль сыграли две идеи: мысль астронома Эрнста Эпика, что красные гиганты образуются из звезд главной последовательности в результате выгорания ядерного горючего, и предположение астронома Василия Фесенкова, что звезды главной последовательности должны терять массу, и такая потеря массы должна оказывать существенное влияние на эволюцию звезд. Эти предположения полностью подтвердились.
- Сжатие белых карликов
Теоретики предсказывали, что молодые белые карлики на ранней стадии эволюции должны сжиматься. Согласно расчетам, из-за постепенного остывания радиус типичного белого карлика может сократиться на несколько сотен километров в первый миллион лет его существования.
В 2017 году российские астрофизики из Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга МГУ, Института астрономии РАН, Института теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова и Национального института астрофизики (Милан) под руководством профессора Сергея Борисовича Попова впервые в мире документально обнаружили молодой белый карлик, очень быстро уменьшающий радиус.
Российские ученые и их итальянские помощники изучали рентгеновское излучение двойной системы HD49798/RX J0648.0-4418, расположенной в созвездии Кормы на расстоянии в две тысячи световых лет от Земли. Результаты исследований опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society в феврале 2018 года.
Эволюция белых карликов
Белые карлики начинают свою эволюцию как обнажившиеся вырожденные ядра красных гигантов, сбросивших свою оболочку — то есть в качестве центральных звезд молодых планетарных туманностей.
Температуры фотосфер ядер молодых планетарных туманностей чрезвычайно высоки — так, например, температура центральной звезды туманности NGC 7293 составляет от 90 000 К (оценка по линиям поглощения) до 130 000 К (оценка по рентгеновскому спектру). При таких температурах большая часть спектра приходится на жесткое ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение.
Вместе с тем, наблюдаемые белые карлики по своим спектрам преимущественно делятся на две большие группы — «водородные» спектрального класса DA, в спектрах которых отсутствуют линии гелия, которые составляют ~80 % популяции белых карликов, и «гелиевые» спектрального класса DB без линий водорода в спектрах, составляющие большую часть оставшихся 20% популяции.
Причина такого различия состава атмосфер белых карликов долгое время оставалась неясной. В 1984 году Ико Ибен рассмотрел сценарии «выхода» белых карликов из пульсирующих красных гигантов, находящихся на асимптотической ветви гигантов, на различных фазах пульсации.
Поздняя стадия
На поздней стадии эволюции у красных гигантов с массами до десяти солнечных в результате «выгорания» гелиевого ядра образуется вырожденное ядро, состоящее преимущественно из углерода и более тяжёлых элементов, окруженное невырожденным гелиевым слоевым источником, в котором идёт тройная гелиевая реакция.
В свою очередь, над ним располагается слоевой водородный источник, в котором идут термоядерные реакции цикла Бете превращения водорода в гелий, окруженный водородной оболочкой; таким образом, внешний водородный слоевой источник является «производителем» гелия для гелиевого слоевого источника.
Горение гелия в слоевом источнике подвержено тепловой неустойчивости вследствие чрезвычайно высокой зависимости от температуры, и это усугубляется большей скоростью преобразования водорода в гелий по сравнению со скоростью выгорания гелия; результатом становится накопление гелия, его сжатие до начала вырождения, резкое повышение скорости тройной гелиевой реакции и развитие слоевой гелиевой вспышки.
Как свет от белых карликов может помочь ученым?
- Планетарные системы
В новом исследовании астрономы под руководством Марка А. Холландса (Mark A. Hollands) показывают, что после гибели звезды не все свидетельства существования планетной системы исчезают с карты Галактики.
Если в системе остаются планеты или их оголенные ядра, то гравитационное взаимодействие между ними может привести к тому, что осколки в конечном счете упадут на остатки родительской звезды. Эти остатки звезды, называемые белым карликом, почти полностью состоят из углерода и кислорода, окруженных плотной, но тонкой оболочкой из водорода и гелия.
Естественно, любой объект, подошедший слишком близко, будет разорван на кусочки под действием экстремальной гравитации белого карлика, а его осколки упадут на поверхность звезды, где произойдет их перемешивание с водородом и гелием оболочек.
В фотосферах карликов были найдены литий, кальций и натрий, при этом в случае карлика LHS 2534 были найдены также магний, калий, хром и железо. Состав обломочного материала, который попадает на исследованные белые карлики, обогащен литием и обеднен кальцием по сравнению с телами Солнечной системы и наиболее близко соответствует содержанию, обнаруженному в материковой коре Земли.
После попадания на звезду элементы, входившие в состав уничтоженного объекта, такие как литий и кальций, начинают излучать собственный свет с уникальными спектральными характеристиками, позволяющими произвести их однозначную идентификацию.
Большинство белых карликов являются слишком горячими, и их яркий свет мешает разглядеть любое загрязнение. Однако недавняя миссия Gaia помогла составить карты расположения десятков древних, холодных белых карликов, и астрономы обнаружили явные признаки «костей» планет в атмосферах этих звезд.
В случае системы WD J2317+1830 был замечен избыток инфракрасного излучения, что говорит о продолжающейся аккреции обломков из околозвездного диска на карлик, при этом общая скорость аккреции оценивается в 3×106 грамм в секунду.
Если учесть, что прародителем этого белого карлика могла быть звезда с массой 4,8 массы Солнца, а идея об образовании планет уже после смерти звезды была признана неудачной, то это доказывает идею о том, что звезды спектрального типа B образуют планетные системы и доживают до стадии белого карлика.
- Экзопланеты
Кроме того, WD J2317+1830 является одной из старейших систем, где могли сформироваться дифференцированные скалистые планеты. Все это позволяет наложить ограничения на модели формирования планет, которые чрезвычайно трудно получить в ходе наблюдений за планетами вокруг звезд главной последовательности или гигантов.
Чем это поможет?
По мнению ученых, открытие проливает свет на процессы, происходящие в нашей Вселенной, в которой за 13 млрд лет существования сменилось много поколений планетных систем.
Читать далее
Посмотрите на изображение Марса из 8 триллионов пикселей
Ученые вывели замену для теории относительности. В чем суть «теории всего»?
Ученые нашли доказательство скрещивания современных людей с неандертальцами