Походження білих карликів
Кінцева доля зірки залежить від її початкової маси. Зірки з великою масою зазвичай завершають своє існування як нейтронні зірки або чорні дири. Натомість зірка з низькою або середньою масою — зокрема, ті, чия маса менша ніж приблизно вісім разів маса нашого Сонця — еволюціонує в білий карлик. Звичайний білий карлик має масу, схожу на масу Сонця, але його об’єм лише трохи більший за об’єм Землі. Ця особливість робить білих карликів одними з найбільш густих зоряних об’єктів, відомих на сьогодні, з лише нейтронними зірками та чорними дірами, що перевершують їх за густиною.
Зірки середньої маси, прикладом яких є наше Сонце, підтримують своє яскраве існування через злиття водню в гелій у своїх ядрах. На даний момент наше Сонце займається саме цією реакцією. Шалене тепло, що виробляється внаслідок цього ядерного злиття, створює протидіючий зовнішній тиск. Через приблизно п’ять мільярдів років Сонце виснажить свої запаси водню.
Цю зоряну ситуацію можна порівняти з роботою пароварки під нагрівом. Коли речовина нагрівається в закритій ємності, тиск зростає. Сонце переживає подібне явище; гравітаційна сила тягне всередину, протистоячи зовнішньому тиску гарячого газу в його ядрі, встановлюючи вишукано збалансований стан між гравітацією та тиском.
Якщо злиття водню в ядрі Сонця припиняється, цей хиткий баланс руйнується на користь гравітації, що ініціює скорочення зірки. Проте, коли зірка стискається, температура в ядрі зростає, що дозволяє обмеженій кількості залишкового водню зливатися в навколишній оболонці.
Ця нещодавно запалена оболонка водню викликає різке розширення зовнішніх шарів Сонця. Отже, наше Сонце перетвориться на червоного гіганта, зростаючи настільки великим, що цілком поглине Меркурій!
Коли зірка розширюється, її внутрішнє тепло розсіюється, що призводить до зниження загальної температури. Зовнішні кінцівки нового червоного гіганта продовжують розширюватися, поки не досягнуть температурного порогу, необхідного для злиття гелію — побічного продукту спалювання водню. Врешті-решт зірка перетворює гелій на вуглець та інші важчі елементи. Варто зазначити, що Сонце переживе близько одного мільярда років у стадії червоного гіганта, що є лише маленькою часткою з майже десяти мільярдів років, які воно витратить на злиття водню.
Хоча ми розуміємо, що зірки середньої маси, включаючи наше Сонце, перетворюються на червоних гігантів, наступна стадія запрошує до запитань. Наше Сонце продовжить споживати гелій та виробляти вуглець, але не матиме необхідного тепла, щоб запалити синтезований вуглець. Що буде далі?
Сонце, не здатне досягти температур, необхідних для ініціювання злиття вуглецю, знову стикається зі силою гравітації. Коли ядро стискається, воно вивільняє енергію, що спонукає зовнішню оболонку зірки розширитися. Ця стадія позначає наше Сонце як ще більший гігант, ніж будь-коли раніше — його радіус розшириться набагато за орбіту Землі!
На цьому етапі Сонце стає дедалі нестабільнішим, поступово скидаючи масу. Цей процес триває, поки зірка нарешті не скине свої зовнішні шари. Залишки ядра залишаються недоторканими, зрештою зливаючись у білий карлик, оточений величезною оболонкою викинутого газу, відомою як планетарна туманність. Це термін походить від ранніх астрономів, які порівнювали ці туманності із зовнішнім виглядом планет, таких як Уран і Нептун. Багато планетарних туманностей можна спостерігати з аматорськими телескопами, і приблизно в половині з них центральний білий карлик можна виявити через телескопи середнього розміру.
Формування планетарних туманностей означає перетворення зірки середньої маси з червоного гіганта на білий карлик. Зірки, схожі на наше Сонце, перейдуть у стадію білих карликів приблизно через 75 000 років після викиду своїх зовнішніх оболонок. У підсумку, як і наше Сонце, вони охолонуть протягом мільярдів років, випромінюючи своє тепло в космос, поки не зникнуть у вигляді, що здається безжиттєвими грудочками вуглецю. Шлях може зайняти близько 10 мільярдів років, завершуючи існування Сонця як білого карлика, що врешті-решт перетвориться на сплячий чорний карлик.
Найстаріші білі карлики, виявленні в нашій галактиці, датуються приблизно 12 мільярдів років. Цей вік вражає, враховуючи, що сучасні космологічні оцінки визначають вік всесвіту приблизно в 13-14 мільярдів років! Спостереження за білими карликами відкриває захоплюючий вікно в історію нашої галактики. Додатково, астрономи виявили білих карликів у сусідніх галактиках, що надає відомості про космічну еволюцію, яка їх формувала. Проте, оскільки охолодження білих карликів займає мільярди років, малоймовірно, що всесвіт достатньо старий, щоб багато, якщо не всі, з них досягли стадії чорного карлика. Відкриття чорних карликів значно покращить наше розуміння динаміки охолодження, властивих білим карликам.
Методи спостереження за білими карликами
Для спостереження за зірками-білими карликами було використано різні методи. Перший випадок, коли було виявлено білий карлик, виник, коли його ідентифікували як супутню зірку до яскравої зірки в сузір’ї Великого Пса. У 1844 році астроном Фрідріх Бессель помітив незначний коливальний рух Сіріуса, що вказувало на наявність невидимого сусіда. До 1863 року оптикан і виробник телескопів Алвін Кларк виявив цього нещасного супутника, зрештою визнаного білим карликом. Система тепер позначає ці зірки як Сіріус А та Сіріус Б, де Б позначає компонент білого карлика. Орбітальний період цієї пару складає приблизно п’ятдесят років.
Оскільки білі карлики є досить тьмяними, бінарні системи виявляються безцінними для їх виявлення. Подібно до системи Сіріуса, незрозумілий рух у зірці може вказувати на присутність супутньої зірки — часто в мультизірковій системі. Точне дослідження може виявити прихованого білого карлика-супутника.
Космічний телескоп Хаббл, обладнаний своїм дзеркалом діаметром 2,4 метри та передовою оптикою, зробив значні кроки в захопленні зображень білих карликів через свою ширококутну та планетарну камеру. У серпні 1995 року цей інструмент спостерігав білі карлики, розташовані в глобулярному скупченні M4, яке знаходиться в сузір’ї Скорпіона. Виявлені білі карлики були такими тьмяними, що навіть найяскравіші з них випромінювали світло не інтенсивніше, ніж 100-ватна лампочка, спостережувана з Місяця. M4, розташоване приблизно за 7 000 світлових років від Землі, є найближчим глобулярним скупченням до нашої планети, в якому містяться зірки, яким близько 14 мільярдів років — отже, багато з їх зірок наближаються до кінця своїх життєвих циклів.
Оптичні телескопи не є єдиними приладами для спостереження за білими карликами. Наприклад, білий карлик, відомий як HZ 43, був вивчений за допомогою рентгенівського супутника ROSAT. Рентгенівські випромінювання виникають з-під видимої поверхні білого карлика. Цей конкретний білий карлик характеризується своєю екстремальною густиною і може реєструвати температури до 100 000 градусів у своїх молодих віках. Зовнішні шари білого карлика містять переважно гелій та водень, що робить їх практично прозорими для рентгенівських променів, які випромінюються значно гарячішими внутрішніми регіонами.
Попередні зображення Бетельгейзе та M4 були створені за підтримки Інституту наук про космічний телескоп, що управляється Асоціацією університетів для досліджень в астрономії, Inc., за контрактом NASA NAS5-26555, номером гранту STScI-PRC-96-04, або відтворені з дозволу AURA/STScI.
Зображення двох планетарних туманностей надані Брюсом Баликом та Джеєм Олександером з Університету Вашингтона, Арсеном Хаджяном з Військово-морської обсерваторії США, Єрвентом Терзяном з Корнелльського університету, разом з Маріо Перінотто та Патріціо Патріархі з обсерваторії Аркетрі (ІТ).
Зображення Сіріуса А та Б належить обсерваторії Лік.
