Когато погледнем към нощното небе, ни се струва, че всички звезди са еднакви. Човешкото око с голяма трудност отличава видимия спектър на светлината, излъчвана от далечни небесни тела. Звездата, която все още е едва видима, може отдавна да е погасена и ние виждаме само нейната светлина. Всяка от звездите живее собствения си живот. Някои светят дори бяла светлина, други изглеждат като светли точки, пулсиращи неонова светлина. Трети са тъпи блестящи петна, едва забележими в небето.
Всяка от звездите остава на определен етап от своята еволюция и с течение на времето се превръща в небесно тяло на друг клас. Вместо светла и ослепителна точка в нощното небе, се появява нов космически обект - бяло джудже - остаряваща звезда. Този етап на еволюция е характерен за повечето обикновени звезди. Не избягвайте подобна съдба и нашето слънце.
Какво е бяло джудже: звезда или фантом?
Едва наскоро, през 20-ти век, на учените стана ясно, че бяло джудже е всичко, което остава в пространството от една обикновена звезда. Изучаването на звездите от гледна точка на термоядрената физика дава представа за процесите, които се гневят в дълбините на небесните тела. Звездите, образувани в резултат на взаимодействието на силите на гравитацията, представляват колосален термоядрен реактор, в който непрекъснато се появяват верижни реакции на делене на водородни и хелиеви ядра. В такива сложни системи скоростта на развитие на компонентите не е същата. Огромните запаси от водород осигуряват живота на звездата за милиарди години напред. Термоядрените водородни реакции допринасят за образуването на хелий и въглерод. След термоядрения синтез влизат в сила законите на термодинамиката.
След като звездата е погълнала целия водород, неговото ядро под влияние на гравитационните сили и огромното вътрешно налягане започва да се свива. Загубвайки основната част от своята обвивка, небесното тяло достига границата на масата на звездата, при която може да съществува като бяло джудже, лишено от енергийни източници, продължаващо да излъчва топлина по инерция. Всъщност, белите джуджета са звезди от класа на червените гиганти и свръхгиганти, които са загубили външната си обвивка.
Термоядрен синтез изчерпва звезда. Водородът изсъхва и хелийът като по-масивен компонент може да се развива по-нататък, достигайки до ново състояние. Всичко това води до факта, че на първо място червените гиганти се образуват на мястото на една обикновена звезда, а звездата напуска основната последователност. Така небесното тяло, по пътя на бавното и неизбежно стареене, постепенно се трансформира. Старостта на звездата е дълъг път към несъществуването. Всичко това се случва много бавно. Бяло джудже е небесно тяло, с което извън основната последователност настъпва неизбежният процес на изчезване. Реакцията на хелиевия синтез води до това, че сърцевината на старещата звезда се свива, звездата най-накрая губи черупката си.
Еволюция на бели джуджета
Извън главната последователност звездата угасва. Под въздействието на гравитацията нагряваният газ от червени гиганти и свръхгиганти се разпръсква из Вселената, образувайки млада планетарна мъглявина. След стотици хиляди години мъглявината е била разпръсната и на нейно място остава изроденото ядро на бял червен гигант. Температурите на такъв обект са доста високи от 90000 К, като се изчислява от абсорбционната линия на спектъра и до 130,000 К, когато оценката се извършва в рентгеновия спектър. Въпреки това, поради малкия си размер, охлаждането на небесното тяло се случва много бавно.
Тази картина на звездното небе, която наблюдаваме, има възраст от десетки до стотици милиарди години. Там, където виждаме бели джуджета, в космическото пространство вече може да съществува друго небесно тяло. Звездата се премести в класа на черното джудже, последният етап от еволюцията. В действителност на мястото на звездата има съсирек на материята, чиято температура е равна на температурата на околното пространство. Основната характеристика на този обект е пълната липса на видима светлина. Да забележиш такава звезда в обикновен оптичен телескоп е доста трудно поради ниската осветеност. Основният критерий за откриване на бели джуджета е наличието на мощни ултравиолетови лъчи и рентгенови лъчи.
Всички известни бели джуджета, в зависимост от техния спектър, са разделени на две групи:
- водородни обекти, спектрален клас DA, в спектъра на които няма линии на хелий;
- хелий джуджета, спектрален клас DB. Основните линии в спектъра са в хелий.
Белите джуджета от водородния тип съставляват по-голямата част от популацията, до 80% от всички известни понастоящем обекти от този тип. Хелиевите джуджета представляват останалите 20%.
Еволюционният етап, в резултат на който се появява бяло джудже, е последният за немасовите звезди, които включват нашата звезда, Слънцето. На този етап звездата има следните характеристики. Въпреки малката и компактна големина на звездата, нейната звездна материя тежи точно толкова, колкото е необходима за неговото съществуване. С други думи, белите джуджета, които имат радиуси 100 пъти по-малки от радиуса на слънчевия диск, имат маса, равна на масата на Слънцето или дори тежат повече от нашата звезда.
Това предполага, че плътността на бялото джудже е милиони пъти по-висока от плътността на обикновените звезди, които са в основната последователност. Например, плътността на нашата звезда е 1.41 g / cm³, докато плътността на белите джуджета може да достигне колосални стойности от 105-110 g / cm3.
При липса на собствени източници на енергия такива обекти постепенно се охлаждат, съответно имат ниска температура. На повърхността на белите джуджета е записана температура в диапазона от 5000-50000 градуса по Келвин. Колкото по-старата звезда, толкова по-ниска е температурата му.
Например, съседът на най-ярката звезда на нашето небе, Сириус А, бялото джудже Сириус В, има повърхностна температура от само 2100 градуса по Келвин. Вътре в това небесно тяло е много по-горещо, почти 10 000 ° K. Сириус В е първото бяло джудже, открито от астрономите. Цветът на белите джуджета, открити след Сириус Б, се оказа бял като причина да се даде това име на този клас звезди.
С яркостта на светлината Сириус А е 22 пъти по-ярка от нашето Слънце, а сестра си Сириус В блести с неясна светлина, забележимо по-малка от яркостта на своя ослепителен съсед. Възможно е да се открие наличието на бяло джудже, благодарение на изображенията на Сириус, направени от рентгеновия телескоп Чандра. Белите джуджета нямат ясно изразен светлинен спектър, така че тези звезди се считат за достатъчно студени космически обекти. В инфрачервения спектър и в рентгеновия диапазон Sirius B блести много по-ярко, като продължава да излъчва огромни количества топлинна енергия. За разлика от обикновените звезди, където короната е източник на рентгенови вълни, бялото джудже е източник на радиация от фотосферата.
Да бъдеш извън главната последователност в преобладаването на тези звезди не са най-често срещаните обекти във Вселената. В нашата галактика делът на белите джуджета представлява само 3-10% от небесните тела. За тази част от звездната популация на нашата галактика, несигурността на оценката прави трудно излъчването да е слабо във видимата полярна област. С други думи, светлината на белите джуджета не е в състояние да преодолее големите купове космически газ, които съставят ръцете на нашата галактика.
Научен поглед върху историята на появата на бели джуджета
Освен това, в небесните тела, на мястото на изсъхналите основни източници на термоядрена енергия, възниква нов източник на термоядрена енергия, тройна хелиева реакция или троен алфа процес, осигуряващ прегаряне на хелий. Тези предположения бяха напълно потвърдени, когато стана възможно да се наблюдава поведението на звездите в инфрачервения диапазон. Спектърът на светлината на една обикновена звезда се различава значително от картината, която виждаме, когато гледаме на червените гиганти и белите джуджета. За изродени ядра от такива звезди има горна граница на масата, в противен случай небесното тяло става физически нестабилно и може да настъпи колапс.
Почти невъзможно е да се обясни такава висока плътност, която белите джуджета имат от гледна точка на физическите закони. Продължаващите процеси станаха ясни само благодарение на квантовата механика, която направи възможно да се изследва състоянието на електронния газ на звездната материя. За разлика от една обикновена звезда, където се използва стандартен модел за изследване на състоянието на газ, в белите джуджета учените се занимават с налягането на релативистичен изроден електронен газ. Казано по-просто, се наблюдава следното. С огромна компресия 100 или повече пъти звездната материя става като един голям атом, в който всички атомни връзки и вериги се сливат заедно. В това състояние електроните образуват изроден електронен газ, чието ново квантово образуване може да издържи на силите на гравитацията. Този газ образува плътно ядро, лишено от черупка.
Детайлно проучване на белите джуджета, използващи радиотелескопи и рентгенова оптика, се оказа, че тези небесни обекти не са толкова прости и скучни, колкото изглежда на пръв поглед. Като се има предвид липсата на термоядрени реакции вътре в такива звезди, възниква въпросът неволно - откъде идва огромният натиск, който успява да балансира силите на гравитацията и силите на вътрешното привличане.
В резултат на изследванията на физиците в областта на квантовата механика бе създаден модел на бяло джудже. Под действието на гравитационните сили звездната материя се сгъстява до такава степен, че електронните обвивки на атомите се разрушават, електроните започват своето хаотично движение, движейки се от едно състояние в друго. Ядрата на атомите в отсъствието на електрони образуват система, формираща силна и стабилна връзка между тях. Има толкова много електрони в звездната материя, че се образуват много състояния, съответно, скоростта на електрона се запазва. Високата скорост на елементарните частици създава огромно вътрешно налягане на електронен дегенеративен газ, който е в състояние да издържи на силите на гравитацията.
Кога белите джуджета стават известни?
Въпреки факта, че първото бяло джудже, открито от астрофизиците, се счита за Сириус В, има поддръжници на версия на по-ранно запознаване на научната общност със звездни обекти от този клас. Още през 1785 г. астрономът Хершел за първи път включи в звездния каталог една тройна звездна система в съзвездието Еридан, разделяйки всички звезди поотделно. Само 125 години по-късно, астрономите идентифицираха аномално ниската осветеност на 40 Еридан В при висока цветова температура, което беше причината да се отделят такива обекти в отделен клас.
Обектът имаше слаба величина, съответстваща на магнитуд + 9,52 m. Бялото джудже има маса от ½ слънчева и има диаметър по-малък от този на земята. Тези параметри противоречат на теорията за вътрешната структура на звездите, където осветеността, радиусът и температурата на повърхността на звездата са ключови параметри за определяне на класа на звездата. Малкият диаметър, ниската осветеност от гледна точка на физичните процеси не съответстват на високата цветова температура. Това несъответствие предизвика много въпроси.
По подобен начин ситуацията приличаше на друго бяло джудже - Сирус Б. Като спътник на най-ярката звезда, бялото джудже има малки размери и огромна плътност на звездна материя - 106 г / см3. За сравнение, количеството на веществото от това небесно тяло с кибритена кутия ще тежи над един милион тона на нашата планета. Температурата на това джудже е 2,5 пъти по-висока от главната звезда на системата Сириус.
Последни научни открития
Небесните тела, с които се занимаваме, са естествен, естествен тест, благодарение на който човек може да изучава структурата на звездите, етапите на тяхната еволюция. Ако раждането на звездите може да се обясни с физични закони, които действат по един и същ начин във всяка среда, тогава еволюцията на звездите се представя от напълно различни процеси. Научното обяснение на много от тях влиза в категорията на квантовата механика, науката за елементарните частици.
Белите джуджета в тази светлина изглеждат най-мистериозните обекти:
- На първо място, процесът на дегенерация на ядрото на звездата изглежда много любопитен, в резултат на което звездната материя не се разпада в пространството, а напротив, се свива до невъобразими размери;
- Второ, при липса на термоядрени реакции, белите джуджета остават доста горещи космически обекти;
- Трето, тези звезди, които имат висока цветова температура, имат ниска осветеност.
Учените от всички ивици, астрофизици, физици и ядрени учени все още не са отговорили на тези и много други въпроси, които ще ни позволят да предвидим съдбата на собственото ни светило. Слънцето очаква съдбата на бяло джудже, но остава под въпрос дали човек може да наблюдава слънцето в тази роля.
