Όταν κοιτάζουμε τον νυχτερινό ουρανό, μας φαίνεται ότι όλα τα αστέρια είναι τα ίδια. Το ανθρώπινο μάτι με μεγάλη δυσκολία διακρίνει το ορατό φάσμα του φωτός που εκπέμπεται από μακρινά ουράνια σώματα. Το αστέρι, το οποίο είναι ακόμα ελάχιστα ορατό, μπορεί να έχει σβήσει από καιρό και βλέπουμε μόνο το φως του. Κάθε ένα από τα αστέρια ζει τη δική του ζωή. Μερικοί λάμψουν ακόμα και το λευκό φως, άλλοι μοιάζουν με φωτεινά σημεία παλμικά φωτός νέον. Ακόμα άλλοι είναι θαμνώδη λαμπερά σημεία, μόλις ορατά στον ουρανό.
Κάθε ένα από τα αστέρια παραμένει σε ένα ορισμένο στάδιο της εξέλιξής του και, με την πάροδο του χρόνου, μετατρέπεται σε ουράνιο σώμα άλλης τάξης. Αντί για ένα φωτεινό και εκθαμβωτικό σημείο στον νυχτερινό ουρανό, εμφανίζεται ένα νέο διαστημικό αντικείμενο - ένας λευκός νάνος - ένα αστέρι που γερνάει. Αυτό το στάδιο εξέλιξης είναι χαρακτηριστικό των περισσότερων απλών αστεριών. Μην αποφύγετε μια παρόμοια μοίρα και τον ήλιο μας.
Τι είναι ένας λευκός νάνος: ένα αστέρι ή ένα φάντασμα;
Μόνο πρόσφατα, τον 20ό αιώνα, κατέστη σαφές στους επιστήμονες ότι ένας λευκός νάνος είναι ό, τι παραμένει στο διάστημα από ένα συνηθισμένο αστέρι. Η μελέτη των αστεριών από τη σκοπιά της θερμοπυρηνικής φυσικής έδωσε μια ιδέα των διαδικασιών που οργώνουν στα βάθη των ουράνιων σωμάτων. Τα αστέρια που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των δυνάμεων βαρύτητας αντιπροσωπεύουν έναν κολοσσιαίο θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα στον οποίο συμβαίνουν συνεχώς οι αλυσιδωτές αντιδράσεις της σχάσης πυρήνων υδρογόνου και ηλίου. Σε τέτοια σύνθετα συστήματα, ο ρυθμός εξέλιξης των συστατικών δεν είναι ο ίδιος. Τεράστια αποθέματα υδρογόνου εξασφαλίζουν τη ζωή ενός αστεριού για δισεκατομμύρια χρόνια μπροστά. Οι αντιδράσεις θερμοπυρηνικού υδρογόνου συμβάλλουν στο σχηματισμό ηλίου και άνθρακα. Μετά τη θερμοπυρηνική σύντηξη, οι νόμοι της θερμοδυναμικής έρχονται στο προσκήνιο.
Αφού το αστέρι έχει καταναλώσει όλο το υδρογόνο, ο πυρήνας του υπό την επίδραση των βαρυτικών δυνάμεων και της τεράστιας εσωτερικής πίεσης αρχίζει να συρρικνώνεται. Χάνοντας το κύριο μέρος του φακέλου του, το ουράνιο σώμα φτάνει στο όριο μάζας του αστεριού, στο οποίο μπορεί να υπάρχει ως λευκός νάνος χωρίς ενεργειακές πηγές, συνεχίζοντας να εκπέμπει θερμότητα με αδράνεια. Στην πραγματικότητα, οι λευκοί νάνοι είναι αστέρια από την κατηγορία κόκκινων γιγάντων και supergiants που έχουν χάσει το εξωτερικό τους κέλυφος.
Η θερμοπυρηνική σύντηξη εξαντλεί ένα αστέρι. Το υδρογόνο στεγνώνει και το ήλιο, ως πιο μαζική συνιστώσα, μπορεί να εξελιχθεί περαιτέρω, φθάνοντας σε μια νέα κατάσταση. Όλα αυτά οδηγούν στο γεγονός ότι στην αρχή οι κόκκινοι γίγαντες σχηματίζονται στη θέση ενός συνηθισμένου αστέρου και το άστρο φεύγει από την κύρια ακολουθία. Έτσι, το ουράνιο σώμα, ακολουθώντας την πορεία της αργής και αναπόφευκτης γήρανσης, μεταμορφώνεται σταδιακά. Η γήρανση του αστεριού είναι πολύ μακριά από την ανυπαρξία. Όλα αυτά συμβαίνουν πολύ αργά. Ένας λευκός νάνος είναι ένα ουράνιο σώμα, με το οποίο, έξω από την κύρια ακολουθία, συμβαίνει η αναπόφευκτη διαδικασία εξαφάνισης. Η αντίδραση της σύνθεσης του ήλιου οδηγεί στο γεγονός ότι ο πυρήνας ενός αστέρος που γερνάει συρρικνώνεται, το άστρο τελικά χάνει το κέλυφος του.
Εξέλιξη λευκών νάνων
Εκτός της κύριας ακολουθίας, το αστέρι ξεθωριάζει. Υπό την επίδραση της βαρύτητας, το θερμαινόμενο αέριο των κόκκινων γιγάντων και των υπερκείμενων διασκορπίζεται σε όλο το σύμπαν, σχηματίζοντας ένα νεαρό πλανητικό νεφέλωμα. Μετά από εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια, το νεφέλωμα έχει διασκορπιστεί και στη θέση του παραμένει ο εκφυλισμένος πυρήνας ενός κόκκινου γιγαντιαίου λευκού. Οι θερμοκρασίες ενός τέτοιου αντικειμένου είναι αρκετά υψηλές από 90000 K, εκτιμώντας από τη γραμμή απορρόφησης του φάσματος και μέχρι 130.000 K, όταν η αξιολόγηση πραγματοποιείται εντός του φάσματος των ακτίνων Χ. Ωστόσο, λόγω του μικρού μεγέθους της, η ψύξη ενός ουράνιου σώματος συμβαίνει πολύ αργά.
Αυτή η εικόνα του αστεριού ουρανού, την οποία παρατηρούμε, έχει ηλικία δεκάδων έως εκατοντάδων δισεκατομμυρίων ετών. Όπου βλέπουμε λευκούς νάνους, ένα άλλο ουράνιο σώμα μπορεί ήδη να υπάρχει στο διάστημα. Το αστέρι κινήθηκε προς την τάξη των μαύρων νάνων, το τελικό στάδιο της εξέλιξης. Στην πραγματικότητα, αντί για ένα αστέρι, παραμένει ένας θρόμβος ύλης, η θερμοκρασία του οποίου είναι ίση με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος χώρου. Το κύριο χαρακτηριστικό αυτού του αντικειμένου είναι η πλήρης απουσία ορατού φωτός. Το να παρατηρήσετε ένα τέτοιο αστέρι σε ένα συνηθισμένο οπτικό τηλεσκόπιο είναι μάλλον δύσκολο λόγω χαμηλής φωτεινότητας. Το κύριο κριτήριο για την ανίχνευση λευκών νάνων είναι η παρουσία υπεριώδους ακτινοβολίας υψηλής ακτινοβολίας και ακτίνων Χ.
Όλοι οι γνωστοί λευκοί νάνοι, ανάλογα με το φάσμα τους, χωρίζονται σε δύο ομάδες:
- αντικείμενα υδρογόνου, φασματική κατηγορία DA, στο φάσμα των οποίων δεν υπάρχουν γραμμές ηλίου,
- νάνοι ηλίου, φασματική κατηγορία DB. Οι κύριες γραμμές στο φάσμα είναι στο ήλιο.
Λευκοί νάνοι τύπου υδρογόνου αποτελούν την πλειοψηφία του πληθυσμού, έως και το 80% όλων των επί του παρόντος γνωστών αντικειμένων αυτού του τύπου. Οι νάνοι του ήλιου αντιπροσωπεύουν το υπόλοιπο 20%.
Το εξελικτικό στάδιο, ως αποτέλεσμα του οποίου εμφανίζεται ένας λευκός νάνος, είναι το τελευταίο για τα μη ογκώδη αστέρια, τα οποία περιλαμβάνουν το αστέρι μας, τον Ήλιο. Σε αυτό το στάδιο, το άστρο έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά. Παρά το μικρό και συμπαγές μέγεθος ενός αστέρα, η αστρική του ύλη ζυγίζει ακριβώς όπως απαιτείται για την ύπαρξή του. Με άλλα λόγια, οι λευκοί νάνοι που έχουν ακτίνες 100 φορές μικρότερες από την ακτίνα του ηλιακού δίσκου έχουν μάζα ίση με τη μάζα του Ήλιου ή ακόμα ζυγίζουν περισσότερο από το αστέρι μας.
Αυτό δείχνει ότι η πυκνότητα του λευκού νάνου είναι εκατομμύρια φορές υψηλότερη από την πυκνότητα των απλών αστεριών που βρίσκονται μέσα στην κύρια ακολουθία. Για παράδειγμα, η πυκνότητα του αστεριού μας είναι 1,41 g / cm³, ενώ η πυκνότητα των λευκών νάνων μπορεί να φθάσει σε κολοσσιαίες τιμές 105-110 g / cm3.
Ελλείψει των δικών τους πηγών ενέργειας, τα αντικείμενα αυτά σταδιακά δροσίζουν, αντίστοιχα, έχουν χαμηλή θερμοκρασία. Στην επιφάνεια των λευκών νάνων καταγράφηκε θερμοκρασία στην περιοχή των 5000-50000 βαθμών Kelvin. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αστέρας, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία του.
Για παράδειγμα, ο γείτονας του φωτεινότερου αστέρα στον ουρανό μας, ο Sirius Α, ο λευκός νάνος Sirius Β, έχει θερμοκρασία επιφανείας μόλις 2100 βαθμών Kelvin. Μέσα σε αυτό το ουράνιο σώμα είναι πολύ θερμότερο, σχεδόν 10.000 ° Κ. Ο Σίριος Β ήταν ο πρώτος λευκός νάνος που ανακάλυψαν οι αστρονόμοι. Το χρώμα των λευκών νάνων που ανακαλύφθηκε μετά τον Σίριο Β αποδείχτηκε άσπρος ως ο λόγος για να δοθεί αυτό το όνομα σε αυτή την τάξη των αστεριών.
Με τη φωτεινότητα του φωτός, ο Sirius Α είναι 22 φορές η φωτεινότητα του Ήλιου μας, ενώ η αδελφή του Sirius B λάμπει με ένα αχνό φως, αισθητά κατώτερο από τη φωτεινότητα στον εκθαμβωτικό του γείτονα. Ήταν δυνατή η ανίχνευση της παρουσίας ενός λευκού νάνου χάρη στις εικόνες του Sirius από το τηλεσκόπιο ακτίνων X της Chandra. Οι λευκοί νάνοι δεν έχουν έντονο φάσμα φωτός, επομένως αυτά τα αστέρια θεωρούνται κοσμικά αντικείμενα αρκετά κρύα. Στην υπέρυθρη ακτινοβολία και στην περιοχή των ακτίνων Χ, το Sirius B φωτίζει πολύ φωτεινότερα, συνεχίζοντας να εκπέμπει τεράστια ποσά θερμικής ενέργειας. Σε αντίθεση με τα συνηθισμένα αστέρια, όπου το κορώνα είναι η πηγή των ακτίνων Χ, ο λευκός νάνος είναι η πηγή της ακτινοβολίας από τη φωτόσφαιρα.
Η ύπαρξη εκτός της κύριας ακολουθίας στην επικράτηση αυτών των αστεριών δεν είναι τα συνηθέστερα αντικείμενα στο σύμπαν. Στον γαλαξία μας, το μερίδιο των λευκών νάνων αντιπροσωπεύει μόνο το 3-10% των ουράνιων σωμάτων. Για αυτό το μέρος του αστρικού πληθυσμού του γαλαξία μας, η αβεβαιότητα της εκτίμησης καθιστά δύσκολη την ακτινοβολία να είναι ασθενής στην ορατή πολική περιοχή. Με άλλα λόγια, το φως των λευκών νάνων δεν μπορεί να ξεπεράσει τις μεγάλες συστάδες κοσμικού αερίου που αποτελούν τα χέρια του γαλαξία μας.
Επιστημονική ματιά στην ιστορία της εμφάνισης λευκών νάνων
Περαιτέρω, στα ουράνια σώματα, στη θέση των αποξηραμένων κύριων πηγών θερμοπυρηνικής ενέργειας, δημιουργείται μια νέα πηγή θερμοπυρηνικής ενέργειας, μια αντίδραση τριπλού ηλίου ή μια τριπλή άλφα διαδικασία που παρέχει έγκαυμα ηλίου. Αυτές οι υποθέσεις επιβεβαιώθηκαν πλήρως όταν κατέστη δυνατή η παρατήρηση της συμπεριφοράς των αστεριών στην περιοχή υπερύθρων. Το φάσμα του φωτός ενός απλού αστέρα διαφέρει σημαντικά από την εικόνα που βλέπουμε όταν βλέπουμε τους κόκκινους γιγάντες και τους λευκούς νάνους. Για εκφυλισμένους πυρήνες τέτοιων αστεριών, υπάρχει ένα ανώτατο όριο μάζας, διαφορετικά το ουράνιο σώμα γίνεται σωματικά ασταθές και μπορεί να συμβεί κατάρρευση.
Είναι σχεδόν αδύνατο να εξηγηθεί μια τόσο μεγάλη πυκνότητα που έχουν οι λευκοί νάνοι από την άποψη των φυσικών νόμων. Οι συνεχιζόμενες διαδικασίες έγιναν σαφείς μόνο χάρη στην κβαντική μηχανική, η οποία κατέστησε δυνατή τη μελέτη της κατάστασης του αερίου ηλεκτρονίων της αστρικής ύλης. Σε αντίθεση με ένα συνηθισμένο αστέρι, όπου ένα πρότυπο μοντέλο χρησιμοποιείται για τη μελέτη της κατάστασης ενός φυσικού αερίου, στους λευκούς νάνους, οι επιστήμονες ασχολούνται με την πίεση ενός σχετικιστικού εκφυλισμένου αερίου ηλεκτρονίων. Με απλά λόγια, παρατηρούνται τα ακόλουθα. Με μια τεράστια συμπίεση 100 ή περισσότερες φορές, η αστρική ύλη γίνεται σαν ένα μόνο μεγάλο άτομο, στο οποίο όλοι οι ατομικοί δεσμοί και οι αλυσίδες συγχωνεύονται. Σε αυτή την κατάσταση, τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ένα εκφυλισμένο αέριο ηλεκτρονίων, το νέο κβαντικό σχηματισμό του οποίου μπορεί να αντέξει τις δυνάμεις της βαρύτητας. Αυτό το αέριο σχηματίζει πυκνό πυρήνα χωρίς κέλυφος.
Μια λεπτομερής μελέτη των λευκών νάνων χρησιμοποιώντας ραδιοτηλεσκόπια και οπτικά ακτίνων Χ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αυτά τα ουράνια αντικείμενα δεν είναι τόσο απλά και βαρετά όσο μπορεί να φαίνονται με την πρώτη ματιά. Δεδομένης της απουσίας θερμοπυρηνικών αντιδράσεων μέσα σε τέτοια αστέρια, τίθεται ακουσίως το ερώτημα - από πού προέρχεται η τεράστια πίεση, η οποία κατάφερε να εξισορροπήσει τις δυνάμεις της βαρύτητας και τις δυνάμεις εσωτερικής έλξης.
Ως αποτέλεσμα της έρευνας των φυσικών στον τομέα της κβαντικής μηχανικής, δημιουργήθηκε ένα μοντέλο λευκού νάνου. Κάτω από τη δράση των βαρυτικών δυνάμεων, η αστρική ύλη είναι συμπιεσμένη σε τέτοιο βαθμό ώστε τα κοχύλια ηλεκτρονίων των ατόμων να καταστρέφονται, τα ηλεκτρόνια ξεκινούν τη χαοτική τους κίνηση κινούνται από τη μια κατάσταση στην άλλη. Οι πυρήνες των ατόμων απουσία ηλεκτρονίων σχηματίζουν ένα σύστημα, σχηματίζοντας έναν ισχυρό και σταθερό δεσμό μεταξύ τους. Υπάρχουν τόσα πολλά ηλεκτρόνια στην αστρική ύλη που σχηματίζονται πολλές καταστάσεις, αντίστοιχα, η ηλεκτρονική ταχύτητα διατηρείται. Η υψηλή ταχύτητα των στοιχειωδών σωματιδίων δημιουργεί μια τεράστια εσωτερική πίεση ενός εκφυλισμένου αερίου που μπορεί να αντέξει τις δυνάμεις της βαρύτητας.
Πότε έγιναν γνωστοί οι λευκοί νάνοι;
Παρά το γεγονός ότι ο πρώτος λευκός νάνος, που ανακαλύφθηκε από τους αστροφυσικούς, θεωρείται Sirius Β, υπάρχουν υποστηρικτές μιας έκδοσης προηγούμενης γνωριμίας της επιστημονικής κοινότητας με αστρικά αντικείμενα αυτής της τάξης. Ήδη από το 1785, ο αστρονόμος Herschel για πρώτη φορά περιελάμβανε στον κατάλογο των αστεριών ένα σύστημα τριπλών αστέρων στον αστερισμό του Eridanus, χωρίζοντας όλα τα αστέρια χωριστά. Μόλις 125 χρόνια αργότερα, οι αστρονόμοι αναγνώρισαν την ανώμαλη χαμηλή φωτεινότητα του 40 Eridane B σε υψηλή θερμοκρασία χρώματος, η οποία ήταν ο λόγος για τον διαχωρισμό τέτοιων αντικειμένων σε ξεχωριστή κατηγορία.
Το αντικείμενο είχε ένα ελαφρύ μέγεθος που αντιστοιχεί σε μέγεθος + 9,52m. Ο λευκός νάνος είχε μάζα ½ ηλιακής και είχε διάμετρο μικρότερη από αυτή της γης. Αυτές οι παράμετροι έρχονται σε αντίθεση με τη θεωρία της εσωτερικής δομής των αστεριών, όπου η φωτεινότητα, η ακτίνα και η θερμοκρασία της επιφάνειας του αστεριού ήταν οι βασικές παράμετροι για τον προσδιορισμό της κατηγορίας ενός αστέρα. Η μικρή διάμετρος, η χαμηλή φωτεινότητα από την άποψη των φυσικών διεργασιών δεν αντιστοιχούσαν στην υψηλή θερμοκρασία χρώματος. Αυτή η διαφορά προκάλεσε πολλές ερωτήσεις.
Ομοίως, η κατάσταση έμοιαζε με έναν άλλο λευκό νάνο - Sirus B. Ως σύντροφος του λαμπρότερου αστέρα, ο λευκός νάνος έχει μικρές διαστάσεις και μια τεράστια πυκνότητα αστρικής ύλης - 106 g / cm3. Για λόγους σύγκρισης, η ποσότητα της ουσίας αυτού του ουράνιου σώματος με ένα κουτί θα ζυγίζει πάνω από ένα εκατομμύριο τόνους στον πλανήτη μας. Η θερμοκρασία αυτού του νάνου είναι 2,5 φορές υψηλότερη από τον κύριο αστέρα του συστήματος Sirius.
Πρόσφατα επιστημονικά ευρήματα
Τα ουράνια σώματα με τα οποία ασχολούμαστε είναι ένα φυσικό, φυσικό πεδίο δοκιμών, χάρη στο οποίο ένα άτομο μπορεί να μελετήσει τη δομή των αστεριών, τα στάδια της εξέλιξής τους. Εάν η γέννηση των αστεριών μπορεί να εξηγηθεί από φυσικούς νόμους που δρουν με τον ίδιο τρόπο σε κάθε ρύθμιση, τότε η εξέλιξη των αστεριών αντιπροσωπεύεται από τελείως διαφορετικές διαδικασίες. Η επιστημονική εξήγηση πολλών από αυτά πηγαίνει στην κατηγορία της κβαντομηχανικής, της επιστήμης των στοιχειωδών σωματιδίων.
Οι λευκοί νάνοι σε αυτό το φως δείχνουν τα πιο μυστηριώδη αντικείμενα:
- Πρώτα απ 'όλα, η διαδικασία εκφυλισμού του πυρήνα του αστεριού φαίνεται πολύ περίεργη, ως αποτέλεσμα της οποίας η αστρική ύλη δεν πετάει χωριστά στο διάστημα, αλλά, αντίθετα, συρρικνώνεται σε αδιανόητα μεγέθη.
- Δεύτερον, ελλείψει θερμοπυρηνικών αντιδράσεων, οι λευκοί νάνοι παραμένουν αρκετά καυτά αντικείμενα.
- Τρίτον, αυτά τα αστέρια, που έχουν υψηλή θερμοκρασία χρώματος, έχουν χαμηλή φωτεινότητα.
Οι επιστήμονες όλων των λωρίδων, των αστροφυσικών, των φυσικών και των πυρηνικών επιστημόνων δεν έχουν ακόμη απαντήσει σε αυτά και σε πολλά άλλα ερωτήματα, τα οποία θα μας επιτρέψουν να προβλέψουμε τη μοίρα του φωτός μας. Ο ήλιος αναμένει την τύχη ενός λευκού νάνου, αλλά παραμένει αμφισβητήσιμο εάν ένα άτομο μπορεί να παρακολουθήσει τον ήλιο σε αυτό το ρόλο.
