Бяло джудже — какво е, как се образува и основни характеристики
Бяло джудже — какво е, как се образува и ключови характеристики: компактно, плътно ядро от въглерод и кислород, останало след червен гигант и планетарна мъглявина.
Какво е бяло джудже
Бялото джудже е компактна звезда — остатък от звезда, която е изчерпала ядреното си гориво и вече не поддържа термоядрени реакции в своето ядро. Материята в него е силно сгъстена: гравитацията е притеглила атомите близо един до друг и електроните са «изтласкани» в плътен електронен газ. Това води до състояние, при което звездата се поддържа не от топлина, а от електронна дегенерация — квантово-механично налягане, независимо от температурата. Масата на типичното бяло джудже е сравнима с масата на Слънцето, но обемът му е сходен с този на Земята, което прави плътността им изключително висока.
Как се образува бяло джудже
Белите джуджета са крайното еволюционно състояние на повечето звезди с относително малка и междинна маса — такива, чиято маса не е достатъчно голяма, за да завършат своя живот като неутронна звезда. Над 97% от звездите в Млечния път ще преминат през този етап. §1
Пътят към формирането на бяло джудже обикновено протича така: звезда от главната последователност губи възможността да синтезира водород в ядрото си и след това се разширява в червен гигант. В ядрото на червения гигант се извършва синтез на хелий и по-нататък до въглерод и кислород, ако има достатъчно маса за това. Ако червеният гигант няма маса, достатъчна за по-нататъшни реакции, в центъра му остават «студени» (нереактивни) въглерод и кислород при температури от порядъка на 10^9 K. След като звездата изхвърли външните си слоеве и образува планетарна мъглявина, в центъра остава компактното ядро — младо бяло джудже.
Основни характеристики
- Поддръжка срещу сгъстяване: Материалът вече не претърпява термоядрен синтез, така че няма вътрешен енергиен източник. Звездата се поддържа от електронната дегенерация — квантово налягане на препълнен електронен газ, което противодейства на гравитацията.
- Маса и радиус: Типичната маса е около 0.6 пъти масата на Слънцето, но може да варира от ~0.2 до почти 1.4 пъти масата на Слънцето. Радиусът е сходен с радиуса на Земята, затова по-масивните бели джуджета всъщност са по-малки поради обратната връзка между маса и радиус (масо-радиусна зависимост).
- Чандрасекаров лимит: Съществува горна граница на масата (~1.4 пъти масата на Слънцето), над която електронната дегенерация не може да противодейства на гравитационния колапс; при по-големи маси звездата може да колапсира в неутронна звезда или да взриви като супервзрив (тип Ia) при натрупване на материя от спътник.
- Плътност и гравитация: Плътността на бели джуджета е много висока — средно от порядъка на 10^6 g/cm3, а в центъра може да достига до ~10^9 g/cm3. Повърхностната гравитация е стотици хиляди пъти по-голяма от земната.
- Температура и охлаждане: Младото бяло джудже може да има повърхностна температура над 100 000 K; с времето то изстива и затъмнява в продължение на милиарди години. В крайна сметка, при сегашната възраст на Вселената, те не са още достигнали окончателно състояние „черно джудже“ (напълно изстинало).
- Състав: Повечето бели джуджета имат ядро от въглерод и кислород. По-малко масивните могат да имат ядро от хелий (често в резултат на масов трансфер в двойни системи), а по-масивните — от кислород и неон.
- Магнетизъм и въртене: Някои бели джуджета имат силни магнитни полета (до милиони–милиарди гауса) и бързо въртене; тези свойства влияят върху акрецията и наблюдаемите явления.
- Кристализация: При изстиване вътрешността на белите джуджета може да кристализира (йоните подреждат кристална решетка), което освобождава латентна топлина и забавя охлаждането — явление, потвърдено и наблюдавано чрез данни от мисии като Gaia.
Еволюция и съдба
Звезда като нашето Слънце ще се превърне в бяло джудже, когато изчерпи горивото си. В края на живота си то ще премине през стадий на червен гигант, след което ще загуби по-голямата част от газа си; това, което остане, ще се свие и се превърне в младо бяло джудже. След формирането си белите джуджета дълго време само излъчват остатъчната си топлина и постепенно изстиват и затъмняват.
В двойни системи взаимодействията могат да променят съдбата им: при акреция от спътник масата на бялото джудже може да нараства; ако достигне гранична маса, това може да доведе до термоядрен взрив — супернова тип Ia — или да предизвика колапс до неутронна звезда, в зависимост от условията.
Наблюдение и значение
Белите джуджета са важни за астрофизиката: служат като „космически часовници“ за измерване на възрастта на звезди и звездни купове чрез изучаване на тяхното охлаждане; участват в явления като планетарни мъглявини, нови и супервнови тип Ia; и дават ценна информация за еволюцията на звездите и химическото обогатяване на галактиките. Наблюденията на белите джуджета разкриват също и данни за екзопланетарни системи (например чрез замърсяване на повърхностни слоеве с тежки елементи).
Кратко резюме
- Бялото джудже е остатък от звезда — компактна, много плътна и без вътрешен термоядрен източник.
- Поддържа се от електронна дегенерация; масите са до ~1.4 пъти масата на Слънцето, радиусите са близки до радиуса на Земята.
- Формира се след стадия на червен гигант и възникването на планетарна мъглявина; след това охлажда и затъмнява в продължение на милиарди години.
- Играе важна роля в наблюдателната и теоретичната астрофизика, включително като източник на супервнови тип Ia.
Изображение на Сириус А и Сириус Б, направено от космическия телескоп Хъбъл. Сириус Б, което е бяло джудже, се вижда като слаба светлинна точка в долния ляв ъгъл на много по-яркия Сириус А
Звезди бели джуджета
История
Белите джуджета са открити през XVIII век. Първата звезда бяло джудже, наречена 40 Еридани Б, е открита на 31 януари 1783 г. от Уилям Хершел. p73 Тя е част от тризвездна система, наречена 40 Еридани.
Второто бяло джудже е открито през 1862 г., но първоначално е смятано за червено джудже. То е малка звезда близо до звездата Сириус. Тази звезда-спътник, наречена Сириус Б, имала температура на повърхността около 25 000 келвина, така че била смятана за гореща звезда. Въпреки това Сириус Б беше около 10 000 пъти по-слаба от основната, Сириус А. Учените откриха, че масата на Сириус Б е почти същата като тази на Слънцето. Това означава, че някога Сириус Б е бил звезда, подобна на нашето Слънце.
През 1917 г. Адриян ван Маанен открива бяло джудже, наречено Ван Маанен 2. Това е третото открито бяло джудже. То е най-близкото до Земята бяло джудже, с изключение на Сириус Б.
Радиация и температура
Бялото джудже има ниска светимост (общото количество излъчена светлина), но много горещо ядро. Ядрото може да е с температура 107 K, докато повърхността е само 104 K.
Бялото джудже е много горещо, когато се формира, но тъй като няма източник на енергия, постепенно излъчва енергията си и изстива. Това означава, че излъчването му, което в началото му придава син или бял цвят, с времето намалява. За много дълъг период от време бялото джудже ще се охлади до температура, при която вече няма да излъчва светлина. Освен ако бялото джудже не получава вещество от звезда-спътник или друг източник, излъчването му идва от натрупаната топлина. Тя не се заменя.
Белите джуджета се охлаждат бавно по две причини. Те имат изключително малка повърхност, от която да излъчват топлина, така че се охлаждат постепенно и остават горещи дълго време. Освен това те са много непрозрачни. Дегенеративната материя, която съставлява по-голямата част от бялото джудже, спира светлината и другите електромагнитни лъчения, така че радиацията не носи много енергия.
В крайна сметка всички бели джуджета ще се охладят до черни джуджета, наречени така, защото нямат енергия, която да създава светлина. Все още не съществуват черни джуджета, тъй като за охлаждането на бялото джудже е необходимо повече време, отколкото е сегашната възраст на Вселената. Черното джудже е това, което ще остане от звездата, след като цялата ѝ енергия (топлина и светлина) бъде изразходвана.
Повторно запалване
Белите джуджета могат да се запалят отново и да експлодират като свръхнови, ако получат повече материал. Съществува максимална маса, при която бялото джудже може да остане стабилно. Тя е известна като границата на Чандрасехар.
Например джуджето може да привлече материал от звезда-спътник, което да го изведе над границата на Чандрасехар. Допълнителната маса би предизвикала реакция на въглероден синтез. Астрономите смятат, че това повторно запалване може да е причина за свръхнови от тип Ia.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява бялото джудже?
О: Бялото джудже е компактна звезда, чиято материя е била смачкана от гравитацията и са били отнети електроните ѝ.
В: Каква е масата на бялото джудже в сравнение със Слънцето?
О: Масата на бялото джудже е подобна на тази на Слънцето, но обемът му е подобен на този на Земята.
В: Кой тип звезди стават бели джуджета?
О: Белите джуджета са крайното еволюционно състояние на всички звезди, чиято маса не е достатъчно голяма, за да се превърнат в неутронна звезда. Над 97 % от звездите в Млечния път ще се превърнат в бели джуджета.
В: Как се образува червеният гигант?
О: След като животът на звездата от главната последователност, в която се изгаря водород, приключи, тя ще се разшири и ще се образува червен гигант, който в ядрото си изгаря хелий до въглерод и кислород. Ако не разполага с достатъчно маса за синтез на въглерод, в центъра ѝ ще се натрупат неактивен въглерод и кислород.
Въпрос: Какво се случва, след като изхвърли външните си слоеве, за да образува планетарна мъглявина?
О: След като се отърве от външните си слоеве и образува планетарна мъглявина, остава само ядрото, което се превръща в бяло джудже.
В: Материалът в бялото джудже претърпява ли реакции на термоядрен синтез?
О: Не, материалът в бялото джудже вече не претърпява реакции на термоядрен синтез, така че няма източник на енергия за него и не може да бъде поддържан от топлина срещу гравитационния колапс.
В: Как нашето Слънце се превръща в бяло джудже?
О: Нашето Слънце ще се превърне в бяло джудже, когато горивото му се изчерпи в края на живота му; първо преминава през етапа на червен гигант, след това губи повечето газ, докато това, което е останало, се свие в младо бяло джудже.
обискирам