Походження білих карликів
У поясненні генези білих карликів ключову роль відіграли дві ідеї: думка
- Потрійна гелієва реакція та ізотермічні ядра червоних гігантів
У процесі еволюції зірок головноїпослідовності відбувається «вигоряння» водню - нуклеосинтез із утворенням гелію (див. цикл Бете). Таке вигоряння призводить до припинення енерговиділення в центральних частинах зірки, стиснення і, відповідно, підвищення температури та щільності в її ядрі.
Зростання температури і щільності в зоряному ядріведе до умов, в яких активується нове джерело термоядерної енергії: вигоряння гелію (потрійна гелієва реакція або потрійний альфа-процес), характерний для червоних гігантів і надгігантів.
- Втрата маси червоними гігантами і скидання ними оболонки
Ядерні реакції у червоних гігантах відбуваються нетільки в ядрі: у міру вигоряння водню в ядрі, нуклеосинтез гелію поширюється на ще багаті на водень області зірки, утворюючи сферичний шар на межі бідних і багатих на водень областей.
Аналогічна ситуація виникає і з потрійною гелієвої реакцією: у міру вигоряння гелію в ядрі вона також зосереджується в сферичному шарі на кордоні між бідними і багатими гелієм областями.
Світність зірок з такими «двошаровими»областями нуклеосинтезу значно зростає, досягаючи близько кількох тисяч світимостей Сонця, зірка при цьому «роздмухується», збільшуючи свій діаметр до розмірів земної орбіти. Зона нуклеосинтезу гелію піднімається на поверхню зірки: частка маси всередині цієї зони становить ~70 % маси зірки.
"Роздування" супроводжується досить інтенсивним закінченням речовини з поверхні зірки, спостерігаються такі об'єкти як протопланетарні туманності.
Точні механізми втрати маси і подальшого скидання оболонки для таких зірок поки неясні, але можна припустити наступні чинники, здатні внести свій вклад у втрату оболонки:
- Через вкрай високої світності істотним стає світлове тиск потоку випромінювання зірки на її зовнішні шари, що, за розрахунковими даними, може привести до втрати оболонки за кілька тисяч років.
- Внаслідок іонізації водню в областях, що лежатьнижче фотосфери, може розвинутися сильна конвективна нестійкість. Аналогічну природу має сонячна активність, у разі ж червоних гігантів потужність конвективних потоків повинна значно перевершувати сонячну.
- У протяжних зоряних оболонках можутьрозвиватися нестійкості, що призводять до сильних коливальним процесам, що супроводжується зміною теплового режиму зірки. На рис. 4 спостерігаються хвилі щільності викинутої зіркою матерії, які можуть бути наслідками таких коливань.
- У червоних гігантів з «двошаровий» термоядернимджерелом, що перейшли на пізній стадії своєї еволюції на асимптотическую гілка гігантів, спостерігаються термічні пульсації, що супроводжуються «перемиканням» водневого і гелієвого термоядерних джерел та інтенсивної втратою маси.
- Стиснення білих карликів
Теоретики передбачали, що молоді білікарлики на ранній стадії еволюції мають стискатися. Згідно з розрахунками, через поступове остигання радіус типового білого карлика може скоротитися на кілька сотень кілометрів у перший мільйон років його існування.
У 2017 році російські астрофізики зДержавного астрономічного інституту імені П. К. Штернберга МДУ, Інституту астрономії РАН, Інституту теоретичної та експериментальної фізики імені А. І. Аліханова та Національного інституту астрофізики (Мілан) під керівництвом професора Сергія Борисовича Попова вперше в світі швидко зменшує радіус.
Російські вчені та їхні італійські помічникививчали рентгенівське випромінювання подвійної системи HD49798/RX J0648.0-4418, розташованої в сузір'ї Корми на відстані дві тисячі світлових років від Землі. Результати досліджень опубліковано в журналіMonthly Notices of the Royal Astronomical Societyу лютому 2018 року
Властивості білих карликів
- Хімічний склад
Хімічний склад білого карлика визначається тим, на якому етапі закінчилися термоядерні реакції всередині зірки-прародительки.
Якщо маса вихідної зірки мала, 0,08-0,5 масСонця, що недостатньо для запуску горіння гелію, то після витрачання всього запасу водню такі зірки стають гелієвими білими карликами з масою до 0,5 сонячних.
Якщо первісна зірка має масу в 0,5-8мас Сонця, то цього досить для гелієвої спалаху, еволюція зірки продовжаться на фазі червоного гіганта і припиниться тільки після вигоряння гелію. Вийшло в результаті вироджений ядро такої зірки стане вуглецево-кисневим білим карликом з масою в 0,5-1,2 сонячних.
Коли вихідна зірка має масу 8-12 сонячних,цього достатньо для запуску горіння вуглецю, еволюція зірки продовжиться далі і вуглець в її надрах може бути перероблений в більш важкі елементи, зокрема неон і магній. І тоді її кінцевою стадією еволюції такої зірки може стати утворення киснево-неоно-магнієвого білого карлика з масою, близькою до межі Чандрасекара.
Еволюція білих карликів
Білі карлики починають свою еволюцію як вироджені ядра червоних гігантів, що оголилися, скинули свою оболонку — тобто як центральні зірок молодих планетарних туманностей.
Температура фотосфери ядер молодих планетарнихтуманностей надзвичайно високі - так, наприклад, температура центральної зірки туманності NGC 7293 становить від 90 000 К (оцінка по лініях поглинання) до 130 000 К (оцінка по рентгенівському спектрі). При таких температурах велика частина спектра припадає на жорстке ультрафіолетове і м'яке рентгенівське випромінювання.
Разом з тим, спостерігаються білі карлики за своїмиспектрам переважно діляться на дві великі групи — «водневі» спектрального класу DA, у спектрах яких відсутні лінії гелію, які становлять ~80 % популяції білих карликів, і «гелієві» спектрального класу DB без ліній водню в спектрах, що становлять більшу частину 20%, що залишилися. популяції.
Причина такого розходження складу атмосфер білихкарликів довгий час залишалася незрозумілою. У 1984 році Іко Ібен розглянув сценарії "виходу" білих карликів з пульсуючих червоних гігантів, що знаходяться на асимптотичній гілки гігантів, на різних фазах пульсації.
На пізній стадії еволюції у червоних гігантів змасами до десяти сонячних в результаті «вигорання» гелиевого ядра утворюється вироджені ядро, що складається переважно з вуглецю і більш важких елементів, оточене невироджених гелієвим шаровим джерелом, в якому йде потрійна гелієва реакція.
За вкрай короткий час (~ 30 років) світністьгелиевого джерела збільшується настільки, що горіння гелію переходить в конвективний режим, шар розширюється, виштовхуючи назовні водневий шарової джерело, що веде до його охолодження і припинення горіння водню. Після вигоряння надлишку гелію в процесі спалаху світність гелієвого шару падає, зовнішні водневі шари червоного гіганта стискаються, і відбувається новий підпал водневого шарового джерела.
Астрономічні феномени з участю білих карликів
Особливістю випромінювання білих карликів врентгенівському діапазоні є той факт, що основним джерелом рентгенівського випромінювання для них є фотосфера, що різко відрізняє їх від «нормальних» зірок: у останніх в рентгені випромінює корона, розігріта до декількох мільйонів кельвінів, а температура фотосфери надто низька для випускання рентгенівського випромінювання.
За відсутності акреції джерелом світності білихкарликів є запас теплової енергії іонів в їхніх надрах, тому їхня світність залежить від віку. Кількісну теорію охолодження білих карликів побудував в кінці 1940-х років професор Самуїл Каплан.
- Акреція на білі карлики в подвійних системах
При еволюції зірок різних мас у подвійнихсистемах темпи еволюції компонентів неоднакові, причому масивний компонент може проеволюціонувати в білий карлик, тоді як менш масивний до цього часу може залишатися на головній послідовності.
У свою чергу, під час сходження в процесі еволюціїменш масивного компонента з головної послідовності і його перехід на гілка червоних гігантів розмір еволюціонує зірки починає рости до тих пір, поки вона не заповнює свою порожнину Роша.
- Нестационарная аккреция на білі карлики ввипадку, якщо компаньйоном є масивний червоний карлик, призводить до виникнення карликових нових (зірок типу U Gem (UG)) і новоподібні катастрофічних змінних зірок.
- Акреція на білі карлики, що володіють сильниммагнітним полем, направляється в район магнітних полюсів білого карлика, і циклотронний механізм випромінювання аккрецируют плазми в приполярних областях магнітного поля карлика викликає сильну поляризацію випромінювання у видимій області (поляри і проміжні поляри).
- Акреція на білі карлики багатого воднемречовини призводить до його накопичення на поверхні (що складається переважно з гелію) і розігріву до температур реакції синтезу гелію, що, в разі розвитку теплової нестійкості, призводить до вибуху, що спостерігається як спалах нової зірки.
- Досить тривала і інтенсивна аккреция намасивний білий карлик призводить до перевищення його масою межі Чандрасекара і термоядерного вибуху, що спостерігається як спалах наднової типу Ia Прикладом такої події є вибух наднової SN 1572.
Освіта дисків білих карликів
Вчені Планетологічного інституту США вирішилизагадку, пов'язану з утворенням дисків із уламків навколо білих карликів. Відомо, що ці диски з'являються лише через 10-20 мільйонів років після стадії червоного гіганта.
Під час фази червоного гіганта зірка втрачає значну частину своєї маси, перш ніж перетворитися на білий карлик, що складається з вуглецю та кисню, розміром із Землю та з половиною маси Сонця.
В цей час орбіти будь-яких залишилися планетдестабілізуються, а астероїди відкидаються в сторону білого карлика. Коли вони наближаються надто близько, приливні сили зірки перетворюють їх в пил. Очікується, що молоді білі карлики швидко сформують диски, однак цього не відбувається.
Виявилося, що затримка пояснюється саметемпературою білих карликів. Вони настільки гарячі, що будь-який пил швидко випаровується і розсіюється. Це випаровування припиняється тільки тоді, коли температура поверхні білого карлика остигає приблизно до 27 тисяч кельвінів. Це узгоджується з даними спостережень: диски були виявлені у карликів, чия температура нижче критичної.
Читати далі:
У Китаї створили найпотужніший нейросеть: вона в 10 разів продуктивніше аналогів
Фізики відтворили перший речовина, що з'явилося після Великого вибуху
Крихітний водневий двигун замінив аналоги на викопному паливі