Η προέλευση των λευκών νάνων
Δύο ιδέες έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στην εξήγηση της γένεσης των λευκών νάνων: η σκέψη
- Τριπλή αντίδραση ηλίου και ισοθερμικοί πυρήνες ερυθρών γίγαντων
Κατά την εξέλιξη των άστρων, το κύριοαλληλουχία, το υδρογόνο "καίγεται" - πυρηνοσύνθεση με το σχηματισμό ηλίου (βλ. κύκλος Bethe). Μια τέτοια εξάντληση οδηγεί σε παύση της απελευθέρωσης ενέργειας στα κεντρικά μέρη του άστρου, συμπίεση και, κατά συνέπεια, σε αύξηση της θερμοκρασίας και της πυκνότητας στον πυρήνα του.
Η αύξηση της θερμοκρασίας και της πυκνότητας στον αστρικό πυρήναοδηγεί σε καταστάσεις στις οποίες ενεργοποιείται μια νέα πηγή θερμοπυρηνικής ενέργειας: εξάντληση ηλίου (αντίδραση τριπλού ηλίου ή διαδικασία τριπλού άλφα), χαρακτηριστικό των κόκκινων γίγαντων και των υπεργητικών.
- Μαζική απώλεια και ρίψη κελύφους από ερυθρούς γίγαντες
Πυρηνικές αντιδράσεις στους κόκκινους γίγαντες δεν συμβαίνουνμόνο στον πυρήνα: καθώς το υδρογόνο καίγεται στον πυρήνα, η νουκλεοσύνθεση ηλίου εξαπλώνεται στις ακόμα πλούσιες σε υδρογόνο περιοχές του άστρου, σχηματίζοντας ένα σφαιρικό στρώμα στα όρια των φτωχών σε υδρογόνο και των πλούσιων σε υδρογόνο περιοχών.
Μια παρόμοια κατάσταση προκύπτει με την αντίδραση τριπλού ηλίου: καθώς το ήλιο καίγεται στον πυρήνα, συγκεντρώνεται επίσης σε ένα σφαιρικό στρώμα στα σύνορα μεταξύ των περιοχών που είναι φτωχές σε ήλιο και πλούσιες σε ήλιο.
Η φωτεινότητα των αστεριών με τέτοιο «διπλό στρώμα»οι περιοχές πυρηνοσύνθεσης αυξάνονται σημαντικά, φτάνοντας περίπου σε αρκετές χιλιάδες φωτεινότητες του Ήλιου, ενώ το αστέρι «φουσκώνει», αυξάνοντας τη διάμετρό του στο μέγεθος της τροχιάς της Γης. Η ζώνη πυρηνοσύνθεσης ηλίου ανεβαίνει στην επιφάνεια του άστρου: το κλάσμα μάζας εντός αυτής της ζώνης είναι ~ 70% της μάζας του άστρου.
Η «ανατίναξη» συνοδεύεται από μια αρκετά έντονη εκροή ύλης από την επιφάνεια του άστρου παρατηρούνται αντικείμενα όπως πρωτοπλανητικά νεφελώματα.
Οι ακριβείς μηχανισμοί απώλειας μάζας και περαιτέρω εκτόξευσης φακέλου για τέτοια αστέρια εξακολουθούν να είναι ασαφείς, αλλά μπορούν να θεωρηθούν οι ακόλουθοι παράγοντες που μπορούν να συμβάλουν στην απώλεια φακέλου:
- Λόγω της εξαιρετικά υψηλής φωτεινότητας, η φωτεινή πίεση της ροής ακτινοβολίας του αστεριού στα εξωτερικά του στρώματα καθίσταται σημαντική, η οποία, σύμφωνα με τα υπολογισμένα δεδομένα, μπορεί να οδηγήσει στην απώλεια του φακέλου σε αρκετές χιλιάδες χρόνια.
- Λόγω του ιονισμού του υδρογόνου στις περιοχές που βρίσκονταιΚάτω από τη φωτοσφαίρια, μπορεί να αναπτυχθεί ισχυρή αστάθεια μεταφοράς. Η ηλιακή δραστηριότητα έχει παρόμοια φύση, αλλά στην περίπτωση των κόκκινων γιγάντων, η ισχύς των ροών μεταφοράς πρέπει να υπερβαίνει σημαντικά την ηλιακή.
- Σε εκτεταμένους αστρικούς φακέλους, μπορούναναπτύσσονται αστάθειες, που οδηγούν σε ισχυρές ταλαντωτικές διαδικασίες, που συνοδεύονται από αλλαγή στο θερμικό καθεστώς του άστρου. Στο σχ. 4, παρατηρούνται κύματα πυκνότητας της ύλης που εκτοξεύονται από το αστέρι, τα οποία μπορεί να είναι οι συνέπειες αυτών των διακυμάνσεων.
- Κόκκινοι γίγαντες με θερμοπυρηνικό "δύο στρώσεων"Οι θερμικοί παλμοί, που συνοδεύονται από την «αλλαγή» θερμοπυρηνικών πηγών υδρογόνου και ηλίου και έντονης απώλειας μάζας, παρατηρούνται από πηγές που έχουν περάσει σε ένα τελευταίο στάδιο της εξέλιξής τους στον ασυμπτωτικό κλάδο των γιγάντων.
- Σύσπαση λευκών νάνων
Οι θεωρητικοί προέβλεψαν ότι οι νέοι λευκοίοι νάνοι σε πρώιμο στάδιο της εξέλιξης θα πρέπει να συρρικνωθούν. Σύμφωνα με υπολογισμούς, λόγω της σταδιακής ψύξης, η ακτίνα ενός τυπικού λευκού νάνου μπορεί να μειωθεί κατά αρκετές εκατοντάδες χιλιόμετρα στα πρώτα εκατομμύρια χρόνια της ύπαρξής του.
Το 2017, Ρώσοι αστροφυσικοί απόΤο Κρατικό Αστρονομικό Ινστιτούτο που πήρε το όνομά του από το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας P. K. Sternberg, το Ινστιτούτο Αστρονομίας της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών, το Ινστιτούτο Θεωρητικής και Πειραματικής Φυσικής με το όνομα A. I. Alikhanov και το Εθνικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής (Μιλάνο) υπό την ηγεσία του καθηγητή Sergei Borisovich Ο Ποπόφ, για πρώτη φορά στον κόσμο, κατέγραψε την ανακάλυψη ενός νεαρού λευκού νάνου, με ακτίνα που μειώνεται πολύ γρήγορα.
Ρώσοι επιστήμονες και οι Ιταλοί βοηθοί τουςμελέτησε την εκπομπή ακτίνων Χ του δυαδικού συστήματος HD49798/RX J0648.0-4418, που βρίσκεται στον αστερισμό Puppis σε απόσταση δύο χιλιάδων ετών φωτός από τη Γη. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο περιοδικόΜηνιαίες ειδοποιήσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείαςτον Φεβρουάριο του 2018
Ιδιότητες λευκών νάνων
- Χημική σύνθεση
Η χημική σύσταση ενός λευκού νάνου καθορίζεται από το στάδιο στο οποίο τελείωσαν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις μέσα στο προγονικό αστέρι.
Εάν η μάζα του αρχικού αστεριού είναι μικρή, 0,08-0,5 μάζεςΟ ήλιος, ο οποίος δεν είναι αρκετός για να ξεκινήσει η καύση του ηλίου, τότε μετά την εξάντληση ολόκληρης της παροχής υδρογόνου τέτοια αστέρια γίνονται λευκοί νάνοι ηλίου με μάζα έως 0,5 ηλιακό.
Εάν το αρχικό αστέρι έχει μάζα 0,5-8μάζες του Ήλιου, τότε αυτό είναι αρκετό για μια λάμψη ηλίου, η εξέλιξη του αστεριού θα συνεχιστεί στη φάση του κόκκινου γίγαντα και θα σταματήσει μόνο μετά το κάψιμο του ηλίου. Ο προκύπτων εκφυλισμένος πυρήνας ενός τέτοιου άστρου θα γίνει ένας νάνος λευκού άνθρακα-οξυγόνου με μάζα 0,5-1,2 ηλιακού.
Όταν το αρχικό αστέρι έχει μάζα 8-12 ηλιακών μαζών,Αυτό αρκεί για να αρχίσει να καίει άνθρακα, η εξέλιξη του αστεριού θα συνεχιστεί περαιτέρω και ο άνθρακας στο εσωτερικό του μπορεί να υποστεί επεξεργασία σε βαρύτερα στοιχεία, ιδίως νέον και μαγνήσιο. Και τότε το τελικό του στάδιο στην εξέλιξη ενός τέτοιου άστρου μπορεί να είναι ο σχηματισμός ενός λευκού νάνου οξυγόνου-νέου-μαγνησίου με μάζα κοντά στο όριο του Chandrasekhar.
Εξέλιξη λευκών νάνων
Οι λευκοί νάνοι ξεκινούν την εξέλιξή τους ως εκτεθειμένοι εκφυλισμένοι πυρήνες ερυθρών γιγάντων που έχουν ρίξει το κέλυφός τους - δηλαδή ως κεντρικά αστέρια νεαρών πλανητικών νεφελωμάτων.
Οι θερμοκρασίες των φωτοσφαιρών των πυρήνων του νεαρού πλανητικούΤα νεφελώματα είναι εξαιρετικά υψηλά - για παράδειγμα, η θερμοκρασία του κεντρικού άστρου του νεφελώματος NGC 7293 κυμαίνεται από 90.000 Κ (εκτιμάται από γραμμές απορρόφησης) έως 130.000 Κ (εκτιμάται από το φάσμα ακτίνων Χ). Σε αυτές τις θερμοκρασίες, οι σκληρές υπεριώδεις και μαλακές ακτίνες Χ αντιπροσωπεύουν το μεγαλύτερο μέρος του φάσματος.
Ταυτόχρονα, οι παρατηρούμενοι λευκοί νάνοι στο δικό τουςΤα φάσματα χωρίζονται κυρίως σε δύο μεγάλες ομάδες - τη φασματική κατηγορία «υδρογόνου» DA, στα φάσματα της οποίας δεν υπάρχουν γραμμές ηλίου, που αποτελούν το ~80% του πληθυσμού των λευκών νάνων, και η φασματική κατηγορία «ηλίου» DB χωρίς γραμμές υδρογόνου. στα φάσματα, που αποτελούν τους περισσότερους από τους υπόλοιπους πληθυσμούς του 20%.
Ο λόγος για αυτή τη διαφορά στη σύνθεση των λευκών ατμοσφαιρώνοι νάνοι παρέμειναν ασαφείς για πολύ καιρό. Το 1984, ο Iko Iben εξέτασε σενάρια για την «έξοδο» των λευκών νάνων από παλλόμενους κόκκινους γίγαντες στον ασυμπτωτικό γιγάντιο κλάδο σε διάφορες φάσεις παλμών.
Σε ένα μεταγενέστερο στάδιο της εξέλιξης, οι κόκκινοι γίγαντες μεέως και δέκα ηλιακές μάζες, ως αποτέλεσμα της «εξάντλησης» του πυρήνα ηλίου, σχηματίζεται ένας εκφυλισμένος πυρήνας, που αποτελείται κυρίως από άνθρακα και βαρύτερα στοιχεία, που περιβάλλεται από μια μη εκφυλισμένη πηγή στρώματος ηλίου, στην οποία λαμβάνεται αντίδραση τριπλού ηλίου θέση.
Σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα (~ 30 χρόνια), η φωτεινότητατης πηγής ηλίου αυξάνεται τόσο πολύ που η καύση του ηλίου πηγαίνει σε λειτουργία μεταφοράς, το στρώμα διαστέλλεται, σπρώχνοντας την πηγή της στιβάδας υδρογόνου, η οποία οδηγεί στην ψύξη της και στην παύση της καύσης υδρογόνου. Αφού η περίσσεια ηλίου καίγεται κατά τη διάρκεια της έκλαμψης, μειώνεται η φωτεινότητα του στρώματος ηλίου, συμπιέζονται τα εξωτερικά στρώματα υδρογόνου του κόκκινου γίγαντα και εμφανίζεται μια νέα ανάφλεξη της πηγής του στρώματος υδρογόνου.
Αστρονομικά φαινόμενα που αφορούν λευκούς νάνους
Ένα χαρακτηριστικό της ακτινοβολίας των λευκών νάνων στοΤο εύρος των ακτίνων X είναι το γεγονός ότι η κύρια πηγή ακτινογραφίας για αυτούς είναι η φωτοσφαιρία, η οποία τα διακρίνει έντονα από τα «κανονικά» αστέρια: το τελευταίο εκπέμπει μια κορώνα ακτίνων Χ που θερμαίνεται σε αρκετά εκατομμύρια Kelvin και η θερμοκρασία η φωτοσφαιρία είναι πολύ χαμηλή για να εκπέμπει ακτίνες Χ.
Ελλείψει συσσώρευσης, η λευκή πηγή φωτεινότηταςΟι νάνοι είναι το απόθεμα θερμικής ενέργειας των ιόντων στα βάθη τους, επομένως η φωτεινότητά τους εξαρτάται από την ηλικία. Μια ποσοτική θεωρία της ψύξης των λευκών νάνων χτίστηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1940 από τον καθηγητή Samuel Kaplan.
- Αύξηση σε λευκούς νάνους σε δυαδικά συστήματα
Κατά την εξέλιξη των αστεριών διαφορετικών μαζών σε δυαδικόσυστήματα, οι ρυθμοί εξέλιξης των συστατικών δεν είναι οι ίδιοι, ενώ ένα πιο μαζικό συστατικό μπορεί να εξελιχθεί σε λευκό νάνο, ενώ ένα λιγότερο μαζικό μπορεί να παραμείνει στην κύρια ακολουθία μέχρι αυτή τη στιγμή.
Με τη σειρά του, κατά την κάθοδο στη διαδικασία της εξέλιξηςΈνα λιγότερο τεράστιο συστατικό από την κύρια ακολουθία και τη μετάβασή του στον κλάδο των κόκκινων γίγαντων, το μέγεθος ενός εξελισσόμενου αστεριού αρχίζει να αυξάνεται μέχρι να γεμίσει τον λοβό του Roche.
- Μη στατική αύξηση σε λευκούς νάνουςΕάν ο σύντροφος είναι ένας τεράστιος κόκκινος νάνος, οδηγεί στην εμφάνιση νάνων novae (αστέρια τύπου U Gem (UG)) και καταστροφικά μεταβλητά αστέρια τύπου nova.
- Αύξηση σε λευκούς νάνους με ισχυρόμαγνητικό πεδίο, κατευθύνεται προς την περιοχή των μαγνητικών πόλων του λευκού νάνου, και ο μηχανισμός κυκλοτρονίου της ακτινοβολίας του πλάσματος συγκέντρωσης στις εγγύς πολικές περιοχές του μαγνητικού πεδίου του νάνου προκαλεί ισχυρή πόλωση της ακτινοβολίας στην ορατή περιοχή (πολικές και ενδιάμεσες πολικές).
- Αύξηση σε λευκούς νάνους πλούσιους σε υδρογόνοη ύλη οδηγεί στη συσσώρευσή της στην επιφάνεια (αποτελούμενη κυρίως από ήλιο) και θέρμανση στις θερμοκρασίες της αντίδρασης σύντηξης ηλίου, η οποία, στην περίπτωση ανάπτυξης θερμικής αστάθειας, οδηγεί σε έκρηξη που παρατηρείται ως έκρηξη ενός νέου αστεριού.
- Αρκετά μακρά και έντονη αύξησηένας τεράστιος λευκός νάνος οδηγεί στη μάζα του που υπερβαίνει το όριο Chandrasekhar και μια θερμοπυρηνική έκρηξη, που παρατηρείται ως supernova τύπου Ia. Ένα παράδειγμα τέτοιου γεγονότος είναι η έκρηξη του supernova SN 1572.
Σχηματισμός λευκών νάνων δίσκων
Οι επιστήμονες του Ινστιτούτου Πλανητών Επιστημών των ΗΠΑ αποφάσισανμυστήριο γύρω από το σχηματισμό δίσκων συντριμμιών γύρω από λευκούς νάνους. Αυτοί οι δίσκοι είναι γνωστό ότι εμφανίζονται μόνο 10-20 εκατομμύρια χρόνια μετά το στάδιο του κόκκινου γίγαντα.
Κατά τη φάση του κόκκινου γίγαντα, το αστέρι χάνει ένα σημαντικό μέρος της μάζας του προτού γίνει λευκός νάνος άνθρακα-οξυγόνου, περίπου στο μέγεθος της Γης και τη μισή μάζα του Ήλιου.
Αυτή τη στιγμή, οι τροχιές των υπόλοιπων πλανητώναποσταθεροποιημένα και οι αστεροειδείς ρίχνονται προς τον λευκό νάνο. Όταν πλησιάζουν πολύ, οι παλιρροιακές δυνάμεις του αστεριού τις μετατρέπουν σε σκόνη. Οι νέοι λευκοί νάνοι αναμένεται να σχηματίσουν δίσκους γρήγορα, αλλά αυτό δεν συμβαίνει.
Αποδείχθηκε ότι η καθυστέρηση εξηγήθηκε ακριβώς απόθερμοκρασία λευκών νάνων. Είναι τόσο ζεστά που οποιαδήποτε σκόνη θα εξατμιστεί γρήγορα και θα εξαφανιστεί. Αυτή η εξάτμιση σταματά μόνο όταν η θερμοκρασία επιφάνειας του λευκού νάνου κρυώσει σε περίπου 27 χιλιάδες Kelvin. Αυτό συμβαδίζει με δεδομένα παρατήρησης: έχουν βρεθεί δίσκοι σε νάνους των οποίων οι θερμοκρασίες είναι κάτω από κρίσιμες.
Διαβάστε περισσότερα:
Ένα ισχυρό νευρωνικό δίκτυο έχει δημιουργηθεί στην Κίνα: είναι 10 φορές πιο παραγωγικό από τα ανάλογα
Οι φυσικοί έχουν αναδημιουργήσει την πρώτη ουσία που εμφανίστηκε μετά το Big Bang
Ο μικροσκοπικός κινητήρας υδρογόνου αντικαθιστά τα αντίστοιχα ορυκτά καύσιμα