карликових

Рауль Гонсалес надіслав мені таке запитання на адресу [email protected]: «Як може білий карлик мати температуру вищу, ніж поверхня Сонця, якщо ці зірки більше не виробляють власної енергії? Звідки таке тепло?»

Я згадував білих карликових зірок вище в інших публікаціях (наприклад є Y Це інше), але, щоб зрозуміти, звідки береться тепло, яке змушує їх світитися, спочатку нам доведеться побачити, як утворюються ці цікаві об’єкти.

Я маю на увазі спочатку бити навколо куща.

Точно так. Але це необхідний злий, скорописний голос.

Як ви знаєте, зірки сяють завдяки енергії, що виділяється в результаті реакцій ядерного синтезу, що відбувається в їхніх ядрах, де екстремальні умови тепла і тиску змушують атоми водню з’єднуватися, утворюючи важчий елемент, гелій, і випромінюючи гамма-промені, які нагрівають масу зірки до розжарювання.

Наприклад, у випадку сонця, 15 000 000 ° C, що панує в його ядрі, перетворюється на поверхневу температуру близько 6 000 ° C ... Що може здатися дуже низьким у порівнянні, але слід враховувати, що теплота ядро береться для розподілу по обсягу нашої зірки, яка в основному являє собою кулю газу діаметром 1,4 мільйона кілометрів.

Але, як добре зазначив Рауль, поверхня білого карлика може досягати температури набагато вищої, ніж у будь-якої звичайної зірки. без будь-якого типу механізму, який виробляє всередині нього енергію.

Ну, ви скажете мені, яка рідкісна зірка не виробляє власного тепла.

Ну, це все для початку, білі карлики - це не самі зірки, а залишки інших зірок, які вичерпали своє паливо.

Тоді чому вони світяться, якщо у них немає палива?!

Добре, почекай, скорописним голосом, підемо частинами. Давайте спочатку подивимося, як утворюються ці цікаві об’єкти.

Протягом усього дитинства зірки гравітація тягне гелій, що спричиняє плавлення водню, до глибини ядра, оскільки гелій трохи щільніший. Але умови, необхідні для злиття гелію в більш важкі елементи і, таким чином, виробництва енергії з нього, набагато перевищують ті, які може створити маса середньої зірки, такої як наше Сонце. Тому, Коли в ядрі середньої зірки накопичується занадто багато гелію, реакції синтезу не можуть тривати.

Ця деталь важлива, оскільки зірки залишаються стабільними до тих пір, поки тяга реакцій синтезу, що відбувається в ядрі, протидіє силі гравітації, що стискає. Іншими словами, коли гелій, накопичений в ядрі, «придушує» синтез водню, сила, що утримує гравітацію, зникає, і вся вага зірки падає на неї, стискаючи її.

Але на щастя, скорочення призводить до появи нової області високих тисків і температур навколо ядра, в якій може підтримуватися плавлення водню, так що зірка негайно повертається до виробництва енергії.

Після цього спаду зірка починає виробляти більше енергії, ніж раніше, оскільки цей новий шар має більший об’єм, ніж вихідне ядро, і, отже, в ньому плавиться більше матеріалу. В результаті, нові реакції, тепер більш інтенсивні, ніж раніше, виштовхують навколишній газ і зірка починає розширюватися.

Але історія на цьому не закінчується: зірка продовжуватиме виробляти та накопичувати гелій, тому цей новий шар також перестане в певний момент змогу плавити водень. В результаті, процес стиснення серцевини повторюватиметься кілька разів, оскільки реакції плавлення водню стають дедалі бурхливішими.

Дивлячись із Землі, зірки, які переживають цей процес, починають демонструвати циклічні зміни яскравості, які збігаються з цими періодами скорочення, що на графіку виглядає так:

З іншого боку, в міру розширення поверхня цих зірок охолоджується. Наприклад, температура поверхні зірки з масою, подібною до маси Сонця, може знизитися приблизно від 6000 ° C до 2000 ° C або 3000 ° C протягом цієї фази свого життя.

Але як воно охолоне, якщо зірка виробляє більше енергії, ніж раніше? Цей пост сповнений суперечностей!

Тому що, У міру розширення зірки енергія, вироблена її ядром, повинна розповсюджуватися на дедалі більшій площі. У міру того, як менше тепла досягає кожної області поверхні, його температура знижується і, як результат, світло, яке воно випромінює, набуває більшої довжини хвилі ... Або більш рудуватого кольору, що є однаковим. Отже, зірки, які перебувають у цій фазі свого життя, називаються червоними гігантами.

Різні типи зірок, внесені в каталог за їх температурою та світимістю. (Джерело)

Але цикл змішаних шарів не триває вічно, тому що, Рано чи пізно весь водень навколо ядра перетвориться на гелій. Коли це трапляється, реакції синтезу цього елемента знову припиняються, і сила тяжіння має вільний спосіб ще більше стиснути ядро. Але цього разу результат трохи інший.

Оскільки немає нового шару водню, який запалюється, щоб протистояти колапсу, гравітація стягує серцевину червоного гіганта настільки, що Його температура сягає від 100 до 200 мільйонів градусів Цельсія, достатньо для того, щоб атоми гелію злилися з утворенням вуглецю та кисню, процес, який виділяє навіть більше енергії, ніж попередні.

Поки все це відбувається, зірка може розширитися до розміру, що в 200 разів перевищує початковий діаметр. Як додатковий факт, цей пункт також чекає нашого улюбленого сонця: він є середньою хорошою зіркою, з часом розбухне і (ймовірно) поглине Землю приблизно через 5 мільярдів років.

Реакції синтезу гелію триватимуть доти, поки запаси цього елемента не вичерпаються, і, поки це відбуватиметься, зовнішні шари зірки продовжуватимуть поширюватися по простору, утворюючи планетарну туманність, масу газу, яка, видно через телескоп з Земля, вона схожа на диск планети (звідси і назва).

Щось у цьому стилі.

І що це за біла точка посеред газової хмари?

Це саме та частина, яка нас цікавить.

Коли весь гелій перетворений на вуглець і кисень, тоді нічого не залишається, щоб ядро ​​середньої зірки могло злитися, виробляючи енергію. У цей момент гравітація закінчує стискати те, що від неї залишається, поки вона не стане об’єктом розміром з планету, що випромінює білувате сяйво. Отриманий надзвичайно компактний об’єкт, яскрава пляма, залишена посередині планетарної туманності, є білим карликом..

На цьому іншому зображенні ви можете побачити білого карлика, який супроводжує Сіріус, найяскравішу зірку на небі. (Джерело)

Чекай, чекай, як ядро ​​зірки може стиснутись у щось таке маленьке, як планета?

Гарне зауваження, скоропис. Без участі ядерного синтезу ядро ​​червоного гіганта стискається до появи нової сили, яку гравітація не може подолати. Ця сила - це опір атомів, що містяться в ній, і які не можуть наблизитися настільки, що два електрони займають однаковий стан. (так званий принцип виключення Паулі).

В результаті орбіти електронів настільки стискаються всередині білого карлика, що щільність матеріалу, що його складає, становить близько 1000 мільйонів кілограмів на кубічний метр, що значно перевищує щільність звичайної речовини. Це в основному тому, що білий карлик містить набагато більше атомів, ніж міститься в тому ж обсязі в звичайних умовах.

Не так вже й зверху, але саме туди йдуть постріли.

І будьте обережні, тут наступає важливе: подібно до того, як речовина, що складала серцевину зірки, при стисненні не зникає, а ущільнюється, утворюючи щільніший об’єкт, частина тепла, яке містилося в ядрі під час його колапсу, також утримується у білого карлика.

Технічно це відповідь, яку хотів Рауль, але ми збираємось додати деякі дані, тому що все ще трохи кульгає.

Найгарячіша біла карликова зірка, виявлена ​​на сьогоднішній день, має поверхневу температуру близько 250 000 ° C, хоча вважається, що вона, можливо, досягла максимального піку 400 000 ° C приблизно 1000 років тому. Вражаюча цифра, але тимчасова, оскільки ці об’єкти не мають можливості виробляти власну енергію, білі карлики починають випромінювати своє тепло з моменту свого формування... І вони роблять це, випромінюючи рентгенівське, ультрафіолетове, видиме або інфрачервоне світло, залежно від температури, при якій вони перебувають у будь-який момент.

З іншого боку, через свої невеликі розміри, білі карлики можуть випромінювати енергію лише через крихітну поверхню, отже ці предмети дуже, дуже, дуже повільно втрачають тепло, яке утримується під час їх утворення.

Ну, це теж не буде так погано.

Я не перебільшую, курсив: найхолодніші білі карлики, коли-небудь виявлені, мають поверхневу температуру близько 2000ºC. Беручи до уваги швидкість, з якою вони випромінюють тепло як функцію своєї маси, було підраховано, що для досягнення цієї температури, ці об'єкти охолоджувались від 11 до 12 мільярдів років.І все ж до цього дня вони ще досить теплі, щоб випромінювати видиме світло.

Насправді, не маючи власного джерела енергії, білі карлики приречені продовжувати охолоджуватися, поки їх температура не збалансується з температурою навколишнього простору, яка становить близько -273ºC. Насправді, коли ці зоряні трупи охололи настільки, що вони вже не випускають помітної кількості електромагнітного випромінювання, вони, як кажуть, перетворилися на чорного карлика..

Цей клас об’єктів буде дуже важко виявити за допомогою випромінювання, яке вони випромінюють, тому їх наявність слід було б визначити за допомогою їх гравітаційного впливу на інші тіла.

І ти знайшов якусь?

Ні. І насправді, в даний момент ніхто не розраховує знайти таких, оскільки нинішні моделі припускають, що білому карликові з масою, подібною до маси Сонця, знадобиться (принаймні) близько 1000 мільярдів років, щоб охолонути до -268 ° C, тому Всесвіт ще занадто молода, щоб будь-який з білих карликів у ньому охолодився до чорного карлика.

Отже, нічого, поки що сьогоднішній запис. Сподіваюся, я не закрутив у Рауля занадто великих обертів навколо куща.