ดาวแคระขาวช่วยค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบและเปิดเผยความลับของจักรวาล อย่างไร?

ดาวแคระขาวคืออะไร?

ดาวแคระขาวเป็นดาวฤกษ์ที่ประกอบด้วยพลาสมาอิเล็กตรอน-นิวเคลียร์ โดยไม่มี

แหล่งพลังงานความร้อนนิวเคลียร์และเรืองแสงจางๆ เนื่องจากพลังงานความร้อน ค่อยๆ เย็นลงและเปลี่ยนเป็นสีแดง

ดาวแคระขาวที่รู้จักใกล้เคียงที่สุดคือซิเรียส Bตั้งอยู่ห่างออกไป 8.6 ปีแสง สันนิษฐานว่าในบรรดาระบบดาวที่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดร้อยดวงมีดาวแปดดวงเป็นดาวแคระขาว ในปัจจุบันดาวแคระขาวสร้างขึ้นตามการประมาณการต่างๆตั้งแต่ 3 ถึง 10% ของประชากรดาวฤกษ์ในกาแลคซีของเรา (ความไม่แน่นอนของการประมาณการเกิดจากความยากลำบากในการสังเกตดาวแคระขาวที่อยู่ห่างไกลเนื่องจากความส่องสว่างต่ำ)

ดาวแคระขาวก่อตัวขึ้นระหว่างกระบวนการวิวัฒนาการดาวฤกษ์ที่มีมวลไม่เพียงพอที่จะกลายเป็นดาวนิวตรอน กล่าวคือ มีมวลไม่เกินประมาณ 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งในกาแลคซีของเรามีมากกว่า 97% ของมวลทั้งหมด เมื่อดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักที่มีมวลต่ำหรือปานกลางหลอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมเสร็จแล้ว มันก็จะขยายตัวกลายเป็นดาวยักษ์แดง

ดาวยักษ์แดงได้รับการสนับสนุนจากเทอร์โมนิวเคลียร์ปฏิกิริยาการเปลี่ยนฮีเลียมเป็นคาร์บอนและออกซิเจน หากมวลของดาวยักษ์แดงไม่เพียงพอที่จะเพิ่มอุณหภูมิของแกนกลางให้ถึงระดับที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาแสนสาหัสที่เกี่ยวข้องกับคาร์บอนที่เกิดขึ้น มันจะสะสมในแกนกลางของดาวฤกษ์พร้อมกับออกซิเจน

ดาวฤกษ์หลุดเปลือกนอกกลายเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์และแกนกลางเดิมของดาวกลายเป็นดาวแคระขาวที่ทำจากคาร์บอนและออกซิเจน

ดาวแคระขาวซิเรียส B (ลูกศร) ถัดจากซิเรียสเอสว่างจ้าภาพถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิล

ต้นกำเนิดของดาวแคระขาว

ในการอธิบายกำเนิดของดาวแคระขาวกุญแจสำคัญความคิดสองอย่างมีบทบาท: ความคิดของนักดาราศาสตร์เอิร์นส์เอปิกที่ว่ายักษ์สีแดงก่อตัวขึ้นจากดาวในลำดับหลักอันเป็นผลมาจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และสมมติฐานของนักดาราศาสตร์ Vasily Fesenkov ที่ว่าดาวในลำดับหลักควรสูญเสียมวล การสูญเสียมวลน่าจะส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อวิวัฒนาการของดวงดาว สมมติฐานเหล่านี้ได้รับการยืนยันอย่างสมบูรณ์

• การหดตัวของดาวแคระขาว

นักทฤษฎีทำนายว่าสาวผิวขาวดาวแคระในช่วงเริ่มต้นของวิวัฒนาการควรหดตัวลง จากการคำนวณ เนื่องจากการเย็นลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป รัศมีของดาวแคระขาวทั่วไปอาจลดลงหลายร้อยกิโลเมตรในช่วงล้านปีแรกของการดำรงอยู่

ในปี 2560 นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวรัสเซียจากสถาบันดาราศาสตร์แห่งรัฐตั้งชื่อตาม P.K. Sternberg Moscow State University, สถาบันดาราศาสตร์ของ Russian Academy of Sciences, สถาบันฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและการทดลองซึ่งตั้งชื่อตาม A.I. Alikhanov และสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งชาติ (มิลาน) ภายใต้การนำของศาสตราจารย์ Sergei Borisovich โปปอฟบันทึกการค้นพบดาวแคระขาวอายุน้อยซึ่งมีรัศมีลดลงอย่างรวดเร็วมากเป็นครั้งแรกในโลก

นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและผู้ช่วยชาวอิตาลีศึกษาการแผ่รังสีเอกซ์ของระบบดาวคู่ HD49798/RX J0648.0-4418 ซึ่งอยู่ในกลุ่มดาว Puppis ที่ระยะห่างจากโลกสองพันปีแสง ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสารประกาศรายเดือนของ Royal Astronomical Societyในเดือนกุมภาพันธ์ 2561

รูป: 8. ระบบเลขฐานสองที่แปลกใหม่ PSR J0348 + 0432 ประกอบด้วยพัลซาร์และดาวแคระขาวที่หมุนรอบตัวเองใน 2.5 ชั่วโมง

วิวัฒนาการของดาวแคระขาว

ดาวแคระขาวเริ่มต้นวิวัฒนาการเมื่อแกนกลางเสื่อมโทรมของดาวยักษ์แดงที่หลุดเปลือกออกไป ซึ่งก็คือดาวฤกษ์ใจกลางเนบิวลาดาวเคราะห์อายุน้อย

อุณหภูมิของโฟโตสเฟียร์ของนิวเคลียสของดาวเคราะห์อายุน้อยเนบิวลามีอุณหภูมิสูงมากตัวอย่างเช่นอุณหภูมิของดาวกลางของเนบิวลา NGC 7293 อยู่ในช่วง 90,000 K (โดยประมาณจากเส้นดูดกลืน) ถึง 130,000 K (ประมาณจากสเปกตรัมรังสีเอกซ์) ที่อุณหภูมิเหล่านี้รังสีอัลตราไวโอเลตชนิดแข็งและรังสีเอกซ์อ่อนเป็นส่วนประกอบส่วนใหญ่ของสเปกตรัม

ในเวลาเดียวกัน ดาวแคระขาวที่สังเกตพบอยู่ในนั้นสเปกตรัมส่วนใหญ่ถูกแบ่งออกเป็นสองกลุ่มใหญ่ - “ไฮโดรเจน” คลาสสเปกตรัม DA ในสเปกตรัมที่ไม่มีเส้นฮีเลียม ซึ่งคิดเป็นประมาณ 80% ของประชากรดาวแคระขาว และ DB ระดับสเปกตรัม “ฮีเลียม” ที่ไม่มีเส้นไฮโดรเจน ในสเปกตรัม ซึ่งคิดเป็นส่วนใหญ่ของประชากรที่เหลืออีก 20%

สาเหตุของความแตกต่างในองค์ประกอบของบรรยากาศของผ้าขาวคนแคระยังคงไม่ชัดเจนมานาน ในปีพ. ศ. 2527 Iko Iben ได้พิจารณาสถานการณ์สำหรับ "ทางออก" ของดาวแคระขาวจากยักษ์แดงที่เต้นเป็นจังหวะซึ่งตั้งอยู่บนกิ่งไม้ยักษ์ที่ไม่แสดงอาการในระยะการเต้นที่แตกต่างกัน

ช่วงปลาย 

ในช่วงปลายวิวัฒนาการของดาวยักษ์แดงด้วยด้วยมวลมากถึงสิบเท่าของดวงอาทิตย์ อันเป็นผลมาจาก "ความเหนื่อยหน่าย" ของแกนฮีเลียม แกนที่เสื่อมสภาพจึงถูกสร้างขึ้น ซึ่งประกอบด้วยคาร์บอนเป็นส่วนใหญ่และองค์ประกอบที่หนักกว่า ล้อมรอบด้วยแหล่งกำเนิดชั้นฮีเลียมที่ไม่เสื่อมสภาพ ซึ่งเกิดปฏิกิริยาฮีเลียมสามเท่า เกิดขึ้น

ในทางกลับกันมีชั้นอยู่ด้านบนแหล่งไฮโดรเจนซึ่งปฏิกิริยาแสนสาหัสของวัฏจักรเบธเกิดขึ้น เปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม ล้อมรอบด้วยเปลือกไฮโดรเจน ดังนั้นแหล่งกำเนิดชั้นไฮโดรเจนภายนอกจึงเป็น "ผู้ผลิต" ฮีเลียมสำหรับแหล่งกำเนิดชั้นฮีเลียม

การเผาไหม้ของฮีเลียมในแหล่งกำเนิดของชั้นจะขึ้นอยู่กับความไม่เสถียรทางความร้อนเนื่องจากการพึ่งพาอุณหภูมิที่สูงมาก และสิ่งนี้รุนแรงขึ้นโดยอัตราการเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับอัตราการเผาไหม้ของฮีเลียม ผลลัพธ์คือการสะสมของฮีเลียม การบีบอัดจนกระทั่งการเสื่อมสภาพเริ่มต้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาฮีเลียมสามเท่าเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและการพัฒนาแฟลชฮีเลียมชั้น.

รูป: 5. เนบิวลาดาวเคราะห์ NGC 3132: ดาวคู่ที่อยู่ตรงกลาง - อะนาล็อกของซิเรียส

แสงจากดาวแคระขาวช่วยนักวิทยาศาสตร์ได้อย่างไร?

• ระบบดาวเคราะห์

ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ นักดาราศาสตร์นำโดยMark A. Hollands แสดงให้เห็นว่าหลังจากการตายของดาวฤกษ์ หลักฐานการมีอยู่ของระบบดาวเคราะห์ไม่ได้หายไปจากแผนที่กาแล็กซีทั้งหมด

หากดาวเคราะห์ยังคงอยู่ในระบบหรือว่างเปล่าแกนกลาง ดังนั้นปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงระหว่างแกนทั้งสองอาจทำให้ชิ้นส่วนตกลงไปบนเศษที่เหลือของดาวฤกษ์แม่ในที่สุด เศษที่เหลือของดาวฤกษ์นี้เรียกว่าดาวแคระขาว ประกอบด้วยคาร์บอนและออกซิเจนเกือบทั้งหมด ล้อมรอบด้วยเปลือกไฮโดรเจนและฮีเลียมที่หนาแน่นแต่บาง

โดยธรรมชาติแล้ววัตถุใด ๆ ที่เกิดขึ้นด้วยใกล้จะถูกฉีกออกเป็นชิ้น ๆ ด้วยแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงของดาวแคระขาวและเศษของมันจะตกลงบนพื้นผิวของดาวซึ่งจะผสมกับไฮโดรเจนและฮีเลียมของเปลือกหอย

ลิเธียมแคลเซียมที่พบในโฟโตสเฟียร์แคระและโซเดียมในขณะที่แมกนีเซียมโพแทสเซียมโครเมียมและเหล็กก็พบในกรณีของคนแคระ LHS 2534 องค์ประกอบของวัสดุคลัสเตอร์ที่ตกลงบนดาวแคระขาวที่ศึกษานั้นอุดมไปด้วยลิเทียมและมีแคลเซียมหมดเมื่อเปรียบเทียบกับร่างกายของระบบสุริยะและใกล้เคียงที่สุดกับเนื้อหาที่พบในเปลือกโลกแผ่นดินใหญ่

หลังจากกระทบดาวแล้วองค์ประกอบต่างๆก็รวมอยู่ในองค์ประกอบของวัตถุที่ถูกทำลาย เช่น ลิเธียมและแคลเซียม เริ่มเปล่งแสงของตัวเองโดยมีลักษณะสเปกตรัมที่เป็นเอกลักษณ์ ทำให้สามารถระบุวัตถุเหล่านั้นได้อย่างชัดเจน

ดาวแคระขาวส่วนใหญ่ก็เช่นกันร้อนและแสงสว่างจ้าทำให้มองเห็นสิ่งปนเปื้อนได้ยาก อย่างไรก็ตามภารกิจ Gaia เมื่อเร็ว ๆ นี้ได้ช่วยทำแผนที่ดาวแคระขาวนวลโบราณหลายสิบดวงและนักดาราศาสตร์พบสัญญาณที่ชัดเจนของกระดูกดาวเคราะห์ในชั้นบรรยากาศของดาวเหล่านี้

รูป: 3. ประชากรของดาวแคระขาวในกระจุกดาวทรงกลม NGC 6397 สี่เหลี่ยมสีน้ำเงิน - ดาวแคระขาวฮีเลียมวงกลมสีม่วง - ดาวแคระขาว "ปกติ" ที่มีปริมาณคาร์บอนสูง

ในกรณีของระบบ WD ตรวจพบ J2317+1830การแผ่รังสีอินฟราเรดส่วนเกิน บ่งชี้ถึงการสะสมของเศษจากจานดาวฤกษ์เข้าสู่ดาวแคระอย่างต่อเนื่อง โดยมีอัตราการสะสมรวมประมาณ 3 × 106 กรัมต่อวินาที

ถือว่าเป็นต้นกำเนิดของสีขาวนี้ดาวแคระอาจเป็นดาวฤกษ์ที่มีมวล 4.8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์และความคิดเกี่ยวกับการก่อตัวของดาวเคราะห์หลังจากการตายของดาวฤกษ์นั้นถือว่าไม่ประสบความสำเร็จนี่เป็นการพิสูจน์แนวคิดที่ว่าดาวสเปกตรัมประเภท B ก่อตัวเป็นดาวเคราะห์ ระบบและอยู่รอดจนถึงขั้นของดาวแคระขาว

• ดาวเคราะห์นอกระบบ

นอกจากนี้ WD J2317 + 1830 เป็นหนึ่งในระบบที่เก่าแก่ที่สุดที่อาจเกิดดาวเคราะห์หินที่แตกต่างกัน ทั้งหมดนี้ทำให้สามารถกำหนดข้อ จำกัด เกี่ยวกับแบบจำลองการก่อตัวของดาวเคราะห์ซึ่งยากมากที่จะได้รับจากการสังเกตดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์หรือดาวยักษ์ตามลำดับหลัก

วิธีนี้ช่วยได้อย่างไร?

ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าการค้นพบนี้ให้ความกระจ่างเกี่ยวกับกระบวนการที่เกิดขึ้นในจักรวาลของเรา ซึ่งระบบดาวเคราะห์หลายชั่วอายุคนได้เปลี่ยนแปลงการดำรงอยู่มานานกว่า 13 พันล้านปี

อ่านเพิ่มเติม

ดูภาพดาวอังคาร 8 ล้านล้านพิกเซล

นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาทดแทนทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะไรคือสาระสำคัญของ "ทฤษฎีของทุกสิ่ง"?

นักวิทยาศาสตร์พบหลักฐานการผสมพันธ์ของมนุษย์ยุคใหม่กับมนุษย์ยุคหิน