Бялото джудже е звезда, която е доста често срещана в нашето пространство. Учените го наричат резултат от еволюцията на звездите, последния етап на развитие. Общо има два сценария за модификация на звездно тяло, в единия случай крайният етап е неутронна звезда, а в другия - черна дупка. Джуджетата са последната еволюционна стъпка. Около тях има планетни системи. Учените успяха да установят това чрез изследване на обогатени с метал екземпляри.
Фон
Белите джуджета са звезди, които привличат вниманието на астрономите през 1919 г. За първи път такова небесно тяло е открито от учен от Холандия Маанен. За времето си специалистът направи доста нетипично и неочаквано откритие. Джуджето, което видя, изглеждаше като звезда, но имаше нестандартни малки размери. Спектърът обаче беше сякаш е масивно и голямо небесно тяло.
Причините за такова странно явление привличат учени от доста време, така че са положени много усилия за изследване на структурата на белите джуджета. Пробивът е направен, когато те изразяват и доказват предположението за изобилието от различни метални конструкции в атмосферата на небесно тяло.
Необходимо е да се изясни, че металите в астрофизика са всякакви елементи, чиито молекули са по-тежки от водорода, хелия и техният химичен състав е по-прогресивен от тези две съединения. Хелият, водородът, както учените успяха да установят, са по-разпространени в нашата Вселена от всички други вещества. Въз основа на това беше решено всичко останало да се обозначи като метали.
Разработване на тема
Въпреки че белите джуджета, много различни по размер от Слънцето, са били забелязани за първи път през двадесетте години, само половин век по-късно хората открили, че наличието на метални структури в звездната атмосфера не е типично явление. Както се оказа, при включване в атмосферата, освен двете най-разпространени вещества, по-тежки, те се изместват в по-дълбоките слоеве. Тежките вещества, които са сред молекулите на хелия, водорода, в крайна сметка трябва да се преместят в ядрото на звездата.
Имаше няколко причини за този процес. Радиусът на бяло джудже е малък, такива звездни тела са много компактни - не напразно са получили името си. Средно радиусът е сравним с този на Земята, докато теглото е подобно на теглото на звезда, която осветява нашата планетарна система. Това съотношение на размери и тегло причинява изключително голямо гравитационно ускорение на повърхността. Следователно, отлагането на тежки метали в атмосферата на водород и хелий се случва само няколко земни дни след като молекулата навлезе в общата газообразна маса.
Функции и продължителност
Понякога характеристики на белите джуджетаса такива, че процесът на утаяване на молекули на тежки вещества може да се забави за дълго време. Най-благоприятните варианти, от гледна точка на наблюдател от Земята, са процеси, които отнемат милиони, десетки милиони години. И все пак такива периоди от време са изключително кратки в сравнение с живота на самото звездно тяло.
Еволюцията на бялото джудже е такава, че повечето от образуванията, наблюдавани от човека в момента, вече са на няколкостотин милиона земни години. Ако сравним това с най-бавния процес на усвояване на метали от ядрото, разликата е повече от значителна. Следователно, откриването на метал в атмосферата на определена наблюдаема звезда ни позволява да заключим със сигурност, че тялото първоначално не е имало такъв атмосферен състав, в противен случай всички метални включвания биха изчезнали отдавна.
Теория и практика
Наблюденията, описани по-горе, както и информацията, събирана в продължение на много десетилетия за бели джуджета, неутронни звезди, черни дупки, предполагат, че атмосферата получава метални включвания от външни източници. Учените първо решили, че това е средата между звездите. Небесно тяло се движи през такава материя, натрупва средата върху нейната повърхност, като по този начин обогатява атмосферата с тежки елементи. Но по-нататъшните наблюдения показаха, че подобна теория е несъстоятелна. Както уточниха експертите, ако промяната в атмосферата настъпи по този начин, джуджето ще получи главно водород отвън, тъй като средата между звездите се формира в основната си част от водород ихелиеви молекули. Само малък процент от средата са тежки съединения.
Ако теорията, формирана от първични наблюдения на бели джуджета, неутронни звезди, черни дупки, би се оправдала, джуджетата ще се състоят от водород като най-лекия елемент. Това не би позволило съществуването дори на хелиеви небесни тела, тъй като хелият е по-тежък, което означава, че натрупването на водород напълно би го скрило от окото на външен наблюдател. Въз основа на наличието на хелиеви джуджета учените стигнаха до заключението, че междузвездната среда не може да служи като единствен и дори основен източник на метали в атмосферата на звездните тела.
Как да обясня?
Учени, изследвали черни дупки, бели джуджета през 70-те години на миналия век, предположиха, че металните включвания могат да се обяснят с падането на комети върху повърхността на небесно тяло. Вярно е, че по едно време подобни идеи се смятаха за твърде екзотични и не получиха подкрепа. Това до голяма степен се дължи на факта, че хората все още не знаеха за присъствието на други планетни системи - беше известна само нашата "домашна" слънчева система.
Съществена крачка напред в изследването на черните дупки, белите джуджета, беше направена в края на следващото, осмо десетилетие на миналия век. Учените разполагат с особено мощни инфрачервени инструменти за наблюдение на дълбините на космоса, които направиха възможно откриването на инфрачервена радиация около едно от известните астрономи на бялото джудже. Това се разкри точно около джуджето, атмосферата на което съдържаше металвключване.
Инфрачервеното лъчение, което направи възможно оценката на температурата на бялото джудже, също каза на учените, че звездното тяло е заобиколено от някакво вещество, което може да абсорбира звездната радиация. Това вещество се нагрява до определено температурно ниво, по-ниско от това на звезда. Това ви позволява постепенно да пренасочвате усвоената енергия. Радиацията се появява в инфрачервения диапазон.
Науката върви напред
Спектрите на бялото джудже са станали обект на изследване на напредналите умове на света на астрономите. Както се оказа, от тях можете да получите доста информация за характеристиките на небесните тела. Особен интерес представляваха наблюденията на звездни тела с излишно инфрачервено лъчение. Понастоящем е възможно да се идентифицират около три дузини системи от този тип. Основният им процент е изследван с помощта на най-мощния телескоп Spitzer.
Учените, наблюдавайки небесните тела, установиха, че плътността на белите джуджета е значително по-малка от този параметър, характерен за гигантите. Установено е също, че излишната инфрачервена радиация се дължи на наличието на дискове, образувани от специфично вещество, което може да абсорбира енергийната радиация. Именно тя излъчва енергия, но в различен диапазон на дължината на вълната.
Дисковете са изключително близки и влияят до известна степен върху масата на белите джуджета (която не може да надвишава границата на Чандрасекар). Външният радиус се нарича детритен диск. Предполага се, че се е образувал по време на унищожаването на някакво тяло. Средно радиусът е сравним по размер със Слънцето.
Ако обърнете внимание на нашата планетарна система, става ясно, че сравнително близо до "дома" можем да наблюдаваме подобен пример - това са пръстените около Сатурн, чийто размер също е сравним с радиуса на нашата звезда. С течение на времето учените установиха, че тази особеност не е единствената, която джуджетата и Сатурн имат общо. Например и планетата, и звездите имат много тънки дискове, които не са прозрачни, когато се опитват да светят през светлината.
Заключения и развитие на теорията
Тъй като пръстените на белите джуджета са сравними с тези, които заобикалят Сатурн, стана възможно да се формулират нови теории, които обясняват наличието на метали в атмосферата на тези звезди. Астрономите знаят, че пръстените около Сатурн се образуват от приливното разрушаване на някои тела, които са достатъчно близо до планетата, за да бъдат засегнати от нейното гравитационно поле. В такава ситуация външното тяло не може да поддържа собствената си гравитация, което води до нарушаване на целостта.
Преди около петнадесет години беше представена нова теория, която обяснява образуването на пръстени от бяло джудже по подобен начин. Предполагаше се, че първоначално джуджето е звезда в центъра на планетарната система. Небесното тяло се развива с течение на времето, което отнема милиарди години, набъбва, губи черупката си и това предизвиква образуването на джудже, което постепенно се охлажда. Между другото, цветът на белите джуджета се обяснява именно с тяхната температура. За някои се оценява на 200 000 K.
Системата от планети в хода на такава еволюция може да оцелее, което води доразширяване на външната част на системата едновременно с намаляване на масата на звездата. В резултат на това се образува голяма система от планети. Планети, астероиди и много други елементи оцеляват в еволюцията.
Какво следва?
Напредъкът на системата може да доведе до нейната нестабилност. Това води до бомбардиране на пространството около планетата с камъни и астероидите частично излитат извън системата. Някои от тях обаче преминават в орбити, рано или късно се озовават в слънчевия радиус на джуджето. Сблъсъци не се случват, но приливните сили водят до нарушаване на целостта на тялото. Куп от такива астероиди придобива форма, подобна на пръстените около Сатурн. Така около звездата се образува диск от отломки. Плътността на бялото джудже (около 10^7 g/cm3) и неговия детритен диск се различават значително.
Описаната теория се превърна в доста пълно и логично обяснение на редица астрономически явления. Чрез него може да се разбере защо дисковете са компактни, тъй като една звезда не може да бъде заобиколена от диск с радиус, сравним с слънчевия през цялото си съществуване, в противен случай такива дискове биха били вътре в тялото й отначало.
Чрез обяснението на образуването на дискове и техния размер, човек може да разбере откъде идва особеното снабдяване с метали. Може да се окаже на повърхността на звездата, замърсявайки джуджето с метални молекули. Описаната теория, без да противоречи на разкритите показатели за средната плътност на белите джуджета (от порядъка на 10^7 g/cm3), доказва защо металите се наблюдават в атмосферата на звездите, защо измерването на хим.състав чрез възможни достъпни за човека средства и поради каква причина разпределението на елементите е подобно на това, което е характерно за нашата планета и други изследвани обекти.
Теории: има ли полза?
Описаната идея беше широко използвана като основа за обяснение защо черупките на звездите са замърсени с метали, защо се появиха дискове от отломки. Освен това от него следва, че около джуджето съществува планетарна система. Няма голяма изненада в това заключение, защото човечеството е установило, че повечето от звездите имат свои собствени системи от планети. Това е характерно както за подобните на Слънцето, така и за тези, които са много по-големи от размерите му - а именно от тях се образуват бели джуджета.
Темите не са изчерпани
Дори ако считаме описаната по-горе теория за общоприета и доказана, някои въпроси за астрономите остават отворени и до днес. Особен интерес представлява спецификата на преноса на материя между дисковете и повърхността на небесно тяло. Както предполагат някои, това се дължи на радиация. Теориите, призоваващи по този начин да опишат транспортирането на материята, се основават на ефекта на Пойнтинг-Робъртсън. Това явление, под въздействието на което частиците бавно се движат в орбита около млада звезда, постепенно спираловидно към центъра и изчезвайки в небесно тяло. Предполага се, че този ефект трябва да се прояви в дисковете от отломки, обграждащи звездите, тоест молекулите, които присъстват в дисковете, рано или късно се оказват в изключителна близост до джуджето. Твърди веществаподлежат на изпаряване, образува се газ - такъв под формата на дискове е записан около няколко наблюдавани джуджета. Рано или късно газът достига повърхността на джуджето, пренасяйки метали тук.
Разкритите факти се оценяват от астрономите като значителен принос към науката, тъй като те предполагат как се образуват планетите. Това е важно, тъй като обектите за изследване, които привличат специалисти, често са недостъпни. Например планетите, които се въртят около звезди, по-големи от Слънцето, са изключително редки за изследване – твърде трудно е на техническо ниво, което е достъпно за нашата цивилизация. Вместо това хората са успели да изучават планетните системи след превръщането на звездите в джуджета. Ако успеем да се развиваме в тази посока, със сигурност ще бъде възможно да се разкрият нови данни за наличието на планетарни системи и техните отличителни характеристики.
Белите джуджета, в атмосферата на които са открити метали, ни позволяват да добием представа за химическия състав на кометите и други космически тела. Всъщност учените просто нямат друг начин да оценят състава. Например, изучавайки планетите-гиганти, човек може да добие представа само за външния слой, но няма надеждна информация за вътрешното съдържание. Това важи и за нашата "домашна" система, тъй като химическият състав може да бъде изследван само от онова небесно тяло, което е паднало на повърхността на Земята или където е било възможно да се приземи изследователският апарат.
Как върви?
Рано или късно нашата планетарна система също ще стане "дом" на бяло джудже. Както казват учените, звездното ядро имаограничено количество материя за получаване на енергия и рано или късно термоядрените реакции се изчерпват. Газът намалява по обем, плътността се повишава до тон на кубичен сантиметър, докато във външните слоеве реакцията все още протича. Звездата се разширява, превръщайки се в червен гигант, чийто радиус е сравним със стотици звезди, равни на Слънцето. Когато външната обвивка спре да "гори", в рамките на 100 000 години има разпръскване на материята в пространството, което е придружено от образуването на мъглявина.
Ядрото на звездата, освободено от черупката, понижава температурата, което води до образуването на бяло джудже. Всъщност такава звезда е газ с висока плътност. В науката джуджетата често се наричат изродени небесни тела. Ако нашата звезда беше компресирана и радиусът й щеше да бъде само няколко хиляди километра, но теглото щеше да бъде напълно запазено, тогава тук щеше да се появи и бяло джудже.
Функции и технически точки
Разглежданият тип космическо тяло е способен да свети, но този процес се обяснява с други механизми, различни от термоядрените реакции. Сиянието се нарича остатъчен, обяснява се с понижаване на температурата. Джуджето се образува от вещество, чиито йони понякога са по-студени от 15 000 K. Осцилаторните движения са характерни за елементите. Постепенно небесното тяло става кристално, сиянието му отслабва и джуджето еволюира в кафяво.
Учените са установили граница на масата за такова небесно тяло - до 1,4 теглото на Слънцето, но не повече от тази граница. Ако масата надвишава тази граница,звездата не може да съществува. Това се дължи на налягането на вещество в компресирано състояние - то е по-малко от гравитационното привличане, което компресира веществото. Има много силно компресиране, което води до появата на неутрони, веществото се неутронизира.
Процесът на компресия може да доведе до дегенерация. В този случай се образува неутронна звезда. Вторият вариант е продължително компресиране, което рано или късно води до експлозия.
Общи параметри и характеристики
Болометричната светимост на разглежданата категория небесни тела спрямо характеристиката на Слънцето е по-малко от около десет хиляди пъти. Радиусът на джуджето е по-малко от сто пъти повече от слънцето, докато теглото е сравнимо с това, което е характерно за главната звезда на нашата планетарна система. За да се определи границата на масата за джудже, беше изчислена границата на Чандрасекар. Когато се превиши, джуджето еволюира в друга форма на небесно тяло. Фотосферата на звезда средно се състои от плътна материя, оценена на 105–109 g/cm3. В сравнение с основната последователност, тя е около милион пъти по-плътна.
Някои астрономи смятат, че само 3% от всички звезди в галактиката са бели джуджета, а някои са убедени, че всяка десета принадлежи към този клас. Оценките се различават толкова много относно причината за трудностите при наблюдението на небесните тела - те са далеч от нашата планета и светят твърде слабо.
Истории и имена
През 1785 г. в списъка с двойни звезди се появява тяло, което Хершел наблюдава. Звездата беше наречена 40 Eridani B. Именно тя се смята за първия човек, видян от категорията на белите.джуджета. През 1910 г. Ръсел забелязва, че това небесно тяло има изключително ниско ниво на осветеност, въпреки че цветната температура е доста висока. С течение на времето беше решено небесните тела от този клас да бъдат отделени в отделна категория.
През 1844 г., Bessel, изучавайки информацията, получена чрез проследяване на Процион B, Сириус B, решава, че и двамата се изместват от права линия от време на време, което означава, че има близки спътници. Подобно предположение изглеждаше малко вероятно за научната общност, тъй като не се виждаше спътник, докато отклоненията можеха да се обяснят само с небесно тяло, чиято маса е изключително голяма (подобно на Сириус, Процион).
През 1962 г. Кларк, работещ с най-големия съществуващ по това време телескоп, идентифицира много тъмно небесно тяло близо до Сириус. Именно той беше наречен Сириус Б, същият спътник, който Бесел беше предложил много преди това. През 1896 г. проучванията показват, че Процион също има спътник - той се нарича Procyon B. Следователно идеите на Bessel са напълно потвърдени.
