חידת הדיסקים הננסיים הלבנים: איך כוכבים "מתים" נוצרים וחיים

מקור הגמדים הלבנים

שני רעיונות מילאו תפקיד מפתח בהסבר היצירה של הגמדים הלבנים: המחשבה

האסטרונום ארנסט אפי שענקים אדומיםנוצרים מכוכבי רצף ראשי כתוצאה משחיקה של דלק גרעיני וההנחה שכוכבי רצף ראשי צריכים לאבד מסה, ולאובדן מסה כזה אמורה להיות השפעה משמעותית על התפתחות הכוכבים. הנחות אלו אושרו לחלוטין.

• תגובת הליום משולשת וליבות איזותרמיות של ענקים אדומים

במהלך התפתחות הכוכבים, העיקרירצף, מימן "נשרף" - נוקלאוסינתזה עם היווצרות הליום (ראה מחזור Bethe). שחיקה זו מביאה להפסקת שחרור האנרגיה בחלקים המרכזיים של הכוכב, דחיסה ובהתאם לעלייה בטמפרטורה ובצפיפות בליבתו.

עליית הטמפרטורה והצפיפות בגרעין הכוכביםמוביל לתנאים בהם מופעל מקור חדש לאנרגיה תרמו גרעינית: שחיקת הליום (תגובת הליום משולשת או תהליך אלפא משולש), האופייני לענקים אדומים ולענקי-על.

• אובדן המוני ושפיכת פגזים על ידי ענקים אדומים

תגובות גרעיניות בענקים אדומים אינן מתרחשותרק בליבה: כאשר מימן נשרף בליבה, נוקלאוסינתזה של הליום מתפשטת לאזורים עדיין עשירים במימן של הכוכב, ויוצרת שכבה כדורית בגבול האזורים העניים במימן והעשירים במימן.

מצב דומה נוצר עם תגובת הליום המשולש: כאשר הליום נשרף בליבה, הוא מתרכז גם בשכבה כדורית בגבול בין אזורים דלי הליום ועשירים בהליום.

הבהירות של כוכבים עם "שכבה כפולה" כזואזורי הנוקלאוסינתזה גדלים באופן משמעותי, ומגיעים לככמה אלפי אורות של השמש, בעוד הכוכב "מתנפח", ומגדיל את קוטרו לגודל מסלול כדור הארץ. אזור נוקלאוסינתזה של הליום עולה אל פני השטח של הכוכב: חלקיק המסה בתוך אזור זה הוא ~70% ממסת הכוכב.

"התפוצצות" מלווה בזרימה אינטנסיבית למדי של חומר מפני השטח של הכוכב; נצפים עצמים כגון ערפיליות פרוטו-פלנטריות. 

המנגנונים המדויקים של אובדן המסה ופליטת מעטפה נוספת עבור כוכבים כאלה עדיין לא ברורים, אך ניתן להניח כי הגורמים הבאים יכולים לתרום לאובדן המעטפה:

• בשל הבהירות הגבוהה ביותר, לחץ האור של שטף הקרינה של הכוכב על שכבותיו החיצוניות הופך להיות משמעותי, שעל פי הנתונים המחושבים יכול להוביל לאובדן המעטפה בעוד כמה אלפי שנים.
• בגלל יינון המימן באזורים השוכביםמתחת לפוטוספירה יכול להתפתח חוסר יציבות קונווקטיבי חזק. לפעילות סולארית יש אופי דומה, אך במקרה של ענקים אדומים, כוחם של זרמי הסעה אמור לחרוג משמעותית מזה של השמש.
• במעטפות כוכבים מורחבות, הם יכוליםאי-יציבות מתפתחת, המובילה לתהליכי תנודה חזקים, המלווים בשינוי המשטר התרמי של הכוכב. באיור. 4, נצפים גלי צפיפות של החומר שנפלט על ידי הכוכב, מה שעשוי להיות התוצאות של תנודות כאלה.
• ענקים אדומים עם תרמו-גרעין "דו שכבתי"פעימות תרמיות, מלוות ב"מיתוג "של מקורות תרמו-גרעיניים מימן והליום ואיבוד מסה עז, נצפות על ידי מקורות שעברו בשלב מאוחר של התפתחותם לענף האסימפטוטי של הענקים.

• כיווץ גמדים לבנים

תיאורטיקנים חזו שלבנים צעיריםגמדים בשלב מוקדם של האבולוציה צריכים להתכווץ. לפי חישובים, עקב התקררות הדרגתית, ניתן להקטין את הרדיוס של ננס לבן טיפוסי בכמה מאות קילומטרים במיליוני השנים הראשונות לקיומו.

בשנת 2017, אסטרופיזיקאים רוסים מהמכון האסטרונומי הממלכתי על שם P.K. Sternberg University State University, המכון לאסטרונומיה של האקדמיה הרוסית למדעים, המכון לפיזיקה תיאורטית וניסויית על שם A.I. Alichhanov והמכון הלאומי לאסטרופיזיקה (מילאנו) בהנהגתו של פרופסור סרגיי בוריסוביץ' פופוב, לראשונה בעולם, תיעד את גילויו של גמד לבן צעיר, שרדיוס יורד במהירות רבה.

מדענים רוסים ועוזריהם האיטלקיםизучали рентгеновское излучение двойной системы HD49798/RX J0648.0-4418, расположенной в созвездии Кормы на расстоянии в две тысячи световых лет от Земли. Результаты исследований опубликованы в журнале הודעות חודשיות של האגודה האסטרונומית המלכותיתבפברואר 2018

תכונות של גמדים לבנים

• תרכובת כימית

ההרכב הכימי של ננס לבן נקבע לפי השלב שבו הסתיימו תגובות תרמו-גרעיניות בתוך כוכב האב. 

אם המסה של הכוכב המקורי קטנה, 0.08-0.5 מסותהשמש, שאינה מספיקה בכדי להתחיל בשריפת הליום, ואז לאחר ניצול כל אספקת המימן הופכים כוכבים כאלה לגמדים לבנים מהליום עם מסה של עד 0.5 שמש.

אם לכוכב המקורי יש מסה של 0.5-8המוני השמש, אז זה מספיק להבזק הליום, התפתחות הכוכב תמשיך בשלב הענק האדום ותפסק רק לאחר שההליום יתפרץ. הגרעין המנוון וכתוצאה מכך של כוכב כזה יהפוך לגמד לבן פחמן-חמצן עם מסה של 0.5-1.2 שמש.

כאשר לכוכב המקורי יש מסה של 8-12 מסות שמש,זה מספיק כדי להתחיל לשרוף פחמן, האבולוציה של הכוכב תמשיך הלאה וניתן לעבד את הפחמן שבפנים שלו לאלמנטים כבדים יותר, במיוחד ניאון ומגנזיום. ואז השלב האחרון באבולוציה של כוכב כזה יכול להיות היווצרותו של גמד לבן חמצן-ניאון-מגנזיום עם מסה הקרובה לגבול Chandrasekhar.

אבולוציה של גמדים לבנים

ננסים לבנים מתחילים את האבולוציה שלהם בתור הליבות המנוונות החשופות של ענקים אדומים שהשילו את קליפתם - כלומר ככוכבים מרכזיים של ערפיליות פלנטריות צעירות.

הטמפרטורות של פוטוספירות הגרעינים של הפלנטה הצעירההערפיליות גבוהות במיוחד - למשל, הטמפרטורה של הכוכב המרכזי של הערפילית NGC 7293 נעה בין 90,000 K (מוערך מקווי ספיגה) ל -130,000 K (מוערך מספקטרום הרנטגן). בטמפרטורות אלה, צילומי רנטגן קשים ואולטרה סגולים ורכים מהווים את רוב הספקטרום.

במקביל, הגמדים הלבנים שנצפו בהםהספקטרים ​​מחולקים בעיקר לשתי קבוצות גדולות - מחלקה הספקטרלית "מימן" DA, שבהן אין קווי הליום, המהווים ~80% מאוכלוסיית הננסים הלבנים, ומחלקת הספקטרלים "הליום" DB ללא קווי מימן. בספקטרום, המהווה את רוב האוכלוסיות הנותרות של 20%.

הסיבה להבדל זה בהרכב האטמוספרות הלבנותהגמדים נותרו לא ברורים במשך זמן רב. בשנת 1984, איקו איבן שקל תרחישים ל"יציאה" של ננסים לבנים מענקים אדומים פועמים על ענף הענק האסימפטוטי בשלבי פעימה שונים.

בשלב מאוחר יותר של האבולוציה, ענקים אדומים עםעד עשר מסות שמש, כתוצאה מ"שחיקה "של ליבת הליום, נוצר ליבה מנווונת, המורכבת בעיקר מפחמן ומרכיבים כבדים יותר, המוקפת במקור שכבת הליום שאינו מנוון, בו נלקחת תגובת הליום משולשת מקום.

תוך זמן קצר ביותר (~ 30 שנה), האורשל מקור ההליום גדל כל כך הרבה עד שבערת ההליום עוברת למצב הסעה, השכבה מתרחבת, דוחפת את מקור שכבת המימן החוצה, מה שמוביל להתקררותה ולהפסקת הבעירה של מימן. לאחר שנשרף עודף ההליום במהלך ההתלקחות, האור של שכבת ההליום פוחת, שכבות המימן החיצוניות של הענק האדום נדחסות ומתרחשת הצתה חדשה של מקור שכבת המימן.

תופעות אסטרונומיות הכוללות גמדים לבנים

תכונה של קרינת גמדים לבנים בפניםטווח הרנטגן הוא העובדה שהמקור העיקרי לקרינת הרנטגן מבחינתם הוא פוטוספרה, המבדילה אותם בחדות מכוכבים "רגילים": האחרון פולט קורונה רנטגן המחוממת לכמה מיליוני קלווין, והטמפרטורה של פוטוספירה נמוכה מכדי לפלוט צילומי רנטגן.

בהעדר צבירה, מקור הזוהר הלבןהגמדים הם מאגר האנרגיה התרמית של יונים במעיים שלהם, ולכן בהירותם תלויה בגיל. תיאוריה כמותית של קירור גמדים לבנים נבנתה בסוף שנות הארבעים על ידי פרופסור סמואל קפלן.

• הצמדה על גמדים לבנים במערכות בינאריות

במהלך האבולוציה של כוכבים בעלי מסות שונות בבינארימערכות, קצבי האבולוציה של הרכיבים אינם זהים, בעוד שרכיב מסיבי יותר יכול להתפתח לגמד לבן, בעוד שמרכיב פחות מסיבי יכול להישאר ברצף הראשי עד הזמן הזה.

בתורו, במהלך הירידה בתהליך האבולוציהמרכיב פחות מסיבי מהרצף הראשי ומעברו לענף הענקים האדומים, גודלו של כוכב מתפתח מתחיל לצמוח עד שהוא ממלא את אונת הרוש שלו.

• הצטברות לא נייחת על גמדים לבנים באם בן הזוג הוא גמד אדום מסיבי, זה מוביל להופעתם של נובות ננסיות (כוכבים מסוג U Gem (UG)) וכוכבים משתנים קטסטרופאליים דמויי נובה.
• הצמדה על גמדים לבנים עם חזקהשדה המגנטי מכוון לאזור הקטבים המגנטיים של הגמד הלבן, ומנגנון הקרינה של הקרינה של הפלזמה המצטברת באזורים הקרובים-קוטביים של השדה המגנטי של הגמד גורם לקיטוב חזק של הקרינה באזור הגלוי (קוטבים וקוטבי ביניים ).
• הצמדה על גמדים לבנים עשירים במימןחומר מוביל להצטברותו על פני השטח (המורכבת בעיקר מהליום) ולהתחממות לטמפרטורות תגובת היתוך הליום, אשר במקרה של התפתחות חוסר יציבות תרמית, מובילה לפיצוץ שנצפה כפרץ של כוכב חדש.
• הצמדה ארוכה ואינטנסיבית מספיק עלגמד לבן מסיבי מוביל למסתו החורגת מגבול השאנדרסכר ופיצוץ תרמו-גרעיני, שנצפה כסופרנובה מסוג Ia. דוגמה לאירוע כזה היא פיצוץ הסופרנובה SN 1572.

היווצרות דיסקים ננסיים לבנים

מדענים במכון האמריקאי למדע פלנטרי החליטומסתורין סביב היווצרות של דיסקיות פסולת סביב גמדים לבנים. כידוע, דיסקים אלו מופיעים רק 10-20 מיליון שנים לאחר שלב הענק האדום. 

במהלך שלב הענק האדום, הכוכב מאבד חלק ניכר מהמסה שלו לפני שהוא הופך לננס לבן פחמן-חמצן, בערך בגודל של כדור הארץ וחצי ממסת השמש.

בשלב זה, מסלולי כוכבי הלכת שנותרומיושן, ואסטרואידים נזרקים לעבר הגמד הלבן. כאשר הם מתקרבים מדי, כוחות הגאות של הכוכב הופכים אותם לאבק. גמדים לבנים צעירים צפויים ליצור דיסקים במהירות, אך זה לא המקרה.

התברר כי העיכוב הוסבר במדויק על ידיטמפרטורה של גמדים לבנים. הם כל כך חמים שכל אבק יתאדה ויתפוג במהירות. אידוי זה מפסיק רק כאשר טמפרטורת פני השטח של הגמד הלבן מתקררת לכ- 27 אלף קלווין. זה עולה בקנה אחד עם נתוני תצפית: דיסקים נמצאו בגמדים שהטמפרטורה שלהם נמוכה מקריטית.

קרא עוד:

רשת עצבית עוצמתית נוצרה בסין: היא פרודוקטיבית פי 10 מאנלוגים

פיזיקאים שיחזרו את החומר הראשון שהופיע לאחר המפץ הגדול

מנוע מימן זעיר מחליף את עמיתיו לדלק מאובנים