Немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель в течение ряда лет наблюдал собственные движения на небе двух ярких звёзд - Сириуса и Проциона - и в 1844 г. установил, что обе они движутся не по прямым, а по характерным волнистым траекториям. Открытие натолкнуло учёного на мысль, что каждая из этих звёзд обладает невидимым для нас спутником, т. е. является физически двойной звёздной системой.

Предположение Бесселя вскоре подтвердилось. Американский оптик-шлифовальщик Алван Кларк 31 января 1862 г. при испытании только что изготовленного объектива диаметром 46 см открыл спутник Сириуса. Позднее, в 1896 г., был обнаружен и спутник Проциона. Через некоторое время на основании уже непосредственных телескопических наблюдений взаимного обращения этих звёзд и их спутников астрономам удалось (с помощью закона всемирного тяготения) найти массы каждого из светил. Главные звёзды, названные теперь Сириусом А и Проционом А, оказались массивнее Солнца соответственно в 2,3 и 1,8 раза, а массы их спутников - Сириуса В и Проциона В - составляют 0,98 и 0.65 солнечных масс.

Но Солнце, практически равное по массе Сириусу В, сияло бы с его расстояния почти так же ярко, как Полярная звезда. Так почему же Сириус В в течение 18 лет считался «невидимым спутником»? Может быть, из-за малого углового расстояния между ним и Сириусом А? Не только. Как потом выяснилось, он заведомо недоступен невооружённому глазу из-за своей низкой светимости, в 400 раз уступающей светимости Солнца. Правда, в самом начале XX в. это открытие не показалось особенно странным, так как звёзд малой светимости было известно достаточно много, а связь массы звезды с её светимостью ещё не была установлена. Лишь когда были получены спектры излучения Сириуса В и Проциона В, а также измерений их температуры, стала очевидной «анормальность» этих звёзд.

О чем говорит эффективная температура звезд

В физике есть такое понятие - абсолютно чёрное тело . Нет, это не синоним чёрной дыры - в отличие от неё абсолютно чёрное тело может ослепительно сиять! Абсолютно чёрным оно называется потому, что, по определению, поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение. Теория утверждает, что полный световой поток (во всём диапазоне длин волн) с единицы поверхности абсолютно чёрного тела не зависит ни от его строения, ни от химического состава, а определяется только температурой. Согласно закону Стефана-Больцмана, светимость его пропорциональна четвёртой степени температуры. Абсолютно чёрное тело, как и идеальный газ, – это лишь физическая модель, никогда строго не реализующаяся на практике. Однако спектральный состав света звёзд в видимой области спектра довольно близок к «чернотельному». Поэтому можно считать, что модель абсолютно чёрного тела в целом, верно, описывает излучение реальной звезды.

Эффективной температурой звезды называется температура абсолютно чёрного тела, излучающего одинаковое с ней количество энергии с единицы поверхности. Она, вообще говоря, не равна температуре фотосферы звезды. И тем не менее это объективная характеристика, которую можно использовать для оценки других характеристик звезды: светимости, размеров и т. д.

В 10-е гг. XX столетия американский астроном Уолтер Адамс предпринял попытку определить эффективную температуру Сириуса В. Она составила 8000 К, а позднее выяснилось, что астроном ошибся и на самом деле она ещё выше (около 10 000 К). Следовательно, светимость этой звёздочки, если бы она имела размеры Солнца, должна была как минимум в 10 раз превосходить солнечную. Наблюдаемая же светимость Сириуса В, как мы знаем, в 400 раз меньше солнечной, т. е. она оказывается ниже ожидаемой более чем в 4 тыс. раз! Единственный выход из этого противоречия - считать, что Сириус В имеет гораздо меньшую площадь видимой поверхности, а значит, и меньший диаметр. Вычисления показали, что Сириус В по размеру всего лишь в 2,5 раза больше Земли. Но массу-то он сохраняет солнечную - выходит, его средняя плотность должна быть почти в 100 тыс. раз больше, чем у Солнца! Многие астрономы отказывались верить в существование столь экзотических объектов.

Только в 1924 г., в основном благодаря стараниям английского астрофизика Артура Эддингтона, разработавшего теорию внутреннего строения звезды. Компактные спутники Сириуса и Проциона были, наконец осознаны астрономическим сообществом как реальные представители совершенно нового класса звёзд, которые известны теперь как белые карлики. «Белые» - потому что первые представители этого типа были горячими бело-голубыми светилами, «карлики» - потому что у них очень маленькие светимости и размеры.

Результаты спектральных исследований

Как мы уже выяснили, плотность белых карликов во много тысяч раз выше, чем у обычных звёзд. А значит, их вещество должно находиться в каком-то особом, ранее неизвестном физическом состоянии. На это указывали и необычные спектры белых карликов.

Во-первых, их линии поглощения во много раз шире, чем у нормальных звёзд. Во-вторых, линии водорода могут присутствовать в спектрах белых карликов при таких высоких температурах, при каких в спектрах обычных звёзд их нет, так как весь водород оказывается ионизованным. Всё это удалось теоретически объяснить очень высоким давлением вещества в атмосферах белых карликов.

Следующей особенностью спектров этих экзотических звёзд является то, что линии всех химических элементов немного сдвинуты в красную сторону по сравнению с соответствующими линиями в спектрах, полученных в земных лабораториях. Это эффект так называемого гравитационного красного смещения, обусловленного тем, что ускорение силы тяжести на поверхности белого карлика во много раз больше, чем на Земле.

Действительно, из закона всемирного тяготения следует, что ускорение силы тяжести на поверхности звезды прямо пропорционально её массе и обратно пропорционально квадрату радиуса. Массы белых карликов близки к массам нормальных звёзд, а радиусы во много раз меньше. Поэтому ускорение силы тяжести на поверхности белых карликов очень велико: порядка 10 5 - 10 6 м/с 2 . Вспомним, что на Земле оно составляет 9,8 м/с 2 , т. е. в 10 000 - 100 000 раз меньше.

По отождествляемому химическому составу спектры белых карликов подразделяются на две категории: одни с линиями водорода, другие без линий водорода, но с линиями нейтрального либо ионизованного гелия или тяжёлых элементов. «Водородные» карлики подчас имеют существенно более высокую температуру (до 60 000 К и выше), чем «гелиевые» (11 000 - 20 000 К). На основании этого учёные пришли к выводу, что вещество последних практически лишено водорода.

Кроме того, были открыты белые карлики, спектры которых не поддавались отождествлению с известными науке химическими элементами и соединениями. Позднее у этих звёзд обнаружили магнитные поля, в 1000 – 100 000 раз более сильные, чем на Солнце. При таких напряжённостях магнитных полей спектры атомов и молекул неузнаваемо искажаются, поэтому их трудно отождествить.

Белые карлики - вырожденые звезды
В недрах белых карликов плотность может достигать величин порядка 10 10 кг/м 3 . При таких значениях плотности (и даже при меньших, характерных для внешних слоев белых карликов) физические свойства газа существенно меняются и законы идеального газа к нему уже неприменимы. В середине 20-х гг. итальянский физик Энрико Ферми разработал теорию, которая описывает свойства газов с плотностями, характерными для белых карликов. Оказалось, что давление такого газа не определяется его температурой. Оно остаётся высоким, даже если вещество остынет до абсолютного нуля! Газ, обладающий такими свойствами, получил название вырожденного .

В 1926 г. английский физик Ральф Фаулер с успехом применил теорию вырожденного газа к белым карликам (и только позднее теория Ферми нашла себе многочисленные приложения в «земной» физике). На основании этой теории были сделаны два важных вывода. Во-первых, радиус белого карлика при заданном химическом составе вещества однозначно определяется его массой. Во-вторых, масса белого карлика не может превышать некоторого критического значения, величина которого примерно 1,4 массы Солнца.

Дальнейшие наблюдения и исследования подтвердили эти теоретические предпосылки и позволили сделать окончательный вывод о том, что в недрах белых карликов практически нет водорода. Поскольку теория вырожденного газа хорошо объясняла наблюдаемые свойства белых карликов, их стали называть вырожденными звёздами . Следующим этапом стало построение теории их образования.

Как образуются белые карлики

В современной теории звездной эволюции белые карлики рассматриваются как конечный этап эволюции звёзд средней и малой массы (меньше 3 – 4 масс Солнца).

После того как в центральных областях стареющей звезды выгорит весь водород, её ядро должно сжаться и разогреться. Внешние слои при этом сильно расширяются, эффективная температура светила падает, и оно становится красным гигантом. Образовавшаяся разреженная оболочка звезды очень слабо связана с ядром, она в конце концов рассеивается в пространстве. На месте бывшего красного гиганта остаётся очень горячая и компактная звезда, состоящая в основном из гелия, - белый карлик. Благодаря своей высокой температуре она излучает главным образом в ультрафиолетовом диапазоне и ионизует газ разлетающейся оболочки.

Расширяющиеся оболочки, окружающие горячие звёзды, известны давно. Они называются планетарными туманностями и были открыты в XVIII в. Уильямом Гершелем. Их наблюдаемое число хорошо согласуется с числом красных гигантов и белых карликов, а, следовательно, и с тем, что основной механизм образования белых карликов - эволюция обычных звёзд со сбросом газовой оболочки на стадии красного гиганта.

В тесных двойных звёздных системах компоненты расположены настолько близко друг к другу, что между ними происходит обмен веществом. Раздувшаяся оболочка красного гиганта постоянно перетекает на соседнюю звезду, пока от него не останется только белый карлик. Вероятно, первые открытые представители белых карликов - Сириус В и Процион В - образовались именно таким путём.

В конце 40-х гг. советский астрофизик Самуил Аронович Каплан показал, что излучение белых карликов приводит к их остыванию. Это означает, что внутренних источников энергии у этих звёзд нет. Каплан построил и количественную теорию остывания белых карликов, а в начале 50-х гг. к аналогичным выводам пришли английские и французские учёные. Правда, из-за малой площади поверхности остывают эти звёзды крайне медленно.

Итак, большинство наблюдаемых свойств белых карликов удалось объяснить огромными значениями плотности их вещества и очень сильным гравитационным полем на их поверхностях. Это делает белые карлики уникальными объектами: воспроизвести условия, в которых находится их вещество, в земных лабораториях пока невозможно.

Если внимательно присмотреться к ночному небу, легко заметить, что звезды, глядящие на нас, различаются по цвету. Голубоватые, белые, красные, они светят ровно или мерцают, подобно елочной гирлянде. В телескоп различия в цвете становятся более очевидными. Причина, приведшая к такому разнообразию, кроется в температуре фотосферы. И, вопреки логичному предположению, самыми горячими являются не красные, а голубые, бело-голубые и белые звезды. Но обо всем по порядку.

Спектральная классификация

Звезды — громадные раскаленные шары, состоящие из газа. То, какими мы видим их с Земли, зависит от множества параметров. Например, звезды в действительности не мерцают. Убедиться в этом очень легко: достаточно вспомнить Солнце. Эффект мерцания возникает из-за того, что свет, идущий от космических тел к нам, преодолевает межзвездную среду, полную пыли и газа. Другое дело - цвет. Он является следствием нагрева оболочек (в особенности фотосферы) до определенных температур. Истинный цвет может отличаться от видимого, но разница, как правило, невелика.

Сегодня во всем мире используется гарвардская спектральная классификация звезд. Она является температурной и основывается на виде и относительной интенсивности линий спектра. Каждому классу соответствуют звезды определенного цвета. Разработана классификация была в обсерватории Гарварда в 1890-1924 гг.

Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь

Основных спектральных классов семь: O—B—A—F—G—K—M. Эта последовательность отражает постепенное снижение температуры (от О к М). Для ее запоминания существуют специальные мнемонические формулы. На русском языке одна из них звучит так: «Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь». К этим классам добавляются еще два. Буквами C и S обозначаются холодные светила с полосами окислов металла в спектре. Рассмотрим звездные классы подробнее:

• Класс О характеризуется самой высокой температурой поверхности (от 30 до 60 тысяч Кельвинов). Звезды такого типа превышают Солнце по массе в 60, а по радиусу — в 15 раз. Их видимый цвет — голубой. По светимости они опережают нашу звезду более чем в миллион раз. Голубая звезда HD93129A, относящаяся к этому классу, характеризуется одним из самых больших показателей светимости среди известных космических тел. По этому показателю она опережает Солнце в 5 миллионов раз. Голубая звезда располагается на расстоянии в 7,5 тысяч световых лет от нас.
• Класс В обладает температурой в 10-30 тысяч Кельвинов, массой, в 18 раз превышающей аналогичный параметр Солнца. Это бело-голубые и белые звезды. Их радиус больше, чем у Солнца, в 7 раз.
• Класс А характеризуется температурой в 7,5-10 тысяч Кельвинов, радиусом и массой, превышающими в 2,1 и 3,1 раз соответственно аналогичные параметры Солнца. Это белые звезды.
• Класс F: температура 6000-7500 К. Масса больше солнечной в 1,7 раз, радиус — в 1,3. С Земли такие звезды выглядят также белыми, их истинный цвет — желтовато-белый.
• Класс G: температура 5-6 тысяч Кельвинов. К этому классу относится Солнце. Видимый и истинный цвет таких звезд — желтый.
• Класс К: температура 3500-5000 К. Радиус и масса меньше солнечных, составляют 0,9 и 0,8 от соответствующих параметров светила. Видимый с Земли цвет этих звезд - желтовато-оранжевый.
• Класс М: температура 2-3,5 тысячи Кельвинов. Масса и радиус — 0,3 и 0,4 от аналогичных параметров Солнца. С поверхности нашей планеты они выглядят красно-оранжевыми. К классу М принадлежат Бета Андромеды и Альфа Лисички. Яркая красная звезда, знакомая многим, — это Бетельгейзе (альфа Ориона). Лучше всего искать ее на небе зимой. Красная звезда расположена выше и чуть левее

Каждый класс делится на подклассы от 0 до 9, то есть от самых горячих до самых холодных. Номера звезд обозначают принадлежность к определенному спектральному типу и степень нагрева фотосферы по сравнению с другими светилами в группе. Например, Солнце относится к классу G2.

Визуальные белые

Таким образом, классы звезд с B по F с Земли могут выглядеть белыми. И только объекты, относящиеся к А-типу, имеют такую окраску на самом деле. Так, звезда Саиф (созвездие Орион) и Алголь (бета Персея) наблюдателю, не вооруженному телескопом, покажутся белыми. Они относятся к спектральному классу B. Их истинный цвет - бело-голубой. Также белыми кажутся Мифрак и Процион, самые яркие звезды в небесных рисунках Персей и Малый Пес. Однако их истинный цвет ближе к желтому (класс F).

Почему звезды белые для земного наблюдателя? Цвет искажается из-за огромного расстояния, отделяющего нашу планету от подобных объектов, а также объемных облаков пыли и газа, нередко встречающихся в космосе.

Класс А

Белые звезды характеризуются не столь высокой температурой, как представители класса О и В. Их фотосфера нагревается до 7,5-10 тысяч Кельвинов. Звезды спектрального класса А значительно крупнее Солнца. Их светимость также больше — примерно в 80 раз.

В спектрах А-звезд сильно выражены линии водорода серии Бальмера. Линии прочих элементов заметно слабее, однако они становятся более существенными по мере продвижения от подкласса А0 к А9. Для гигантов и сверхгигантов, относящихся к спектральному классу А, характерны чуть менее выраженные линии водорода, чем для звезд главной последовательности. В случае этих светил более заметными становятся линии тяжелых металлов.

К спектральному классу А относится немало пекулярных звезд. Таким термином обозначают светила, обладающие заметными особенностями в спектре и физических параметрах, что затрудняет их классификацию. Например, довольно редкие звезды типа лямбды Волопаса характеризуются недостатком тяжелых металлов и очень медленным вращением. В число пекулярных светил входят и белые карлики.

Классу А принадлежат такие яркие объекты ночного неба, как Сириус, Менкалинан, Алиот, Кастор и другие. Познакомимся с ними поближе.

Альфа Большого Пса

Сириус — самая яркая, хотя и не ближайшая, звезда на небе. Расстояние до него — 8,6 световых года. Для земного наблюдателя он кажется столь ярким потому, что имеет внушительные размеры и все-таки удален не так значительно, как многие другие крупные и яркие объекты. Ближайшая звезда к Солнцу — это Сириус в этом списке располагается на пятом месте.

Относится он к и представляет собой систему из двух компонентов. Сириус А и Сириус В разделены расстоянием в 20 астрономических единиц и вращаются с периодом чуть меньше 50 лет. Первый компонент системы — звезда главной последовательности, принадлежит спектральному классу А1. Его масса в два раза превышает солнечную, а радиус — в 1,7 раз. Именно его можно наблюдать невооруженным глазом с Земли.

Второй компонент системы — белый карлик. Звезда Сириус В практически равна нашему светилу по массе, что нетипично для таких объектов. Обычно белые карлики характеризуются массой в 0,6-0,7 солнечных. При этом размеры Сириуса В приближены к земным. Предполагается, что стадия белого карлика началась для этой звезды примерно 120 миллионов лет назад. Когда Сириус В располагался на главной последовательности, он, вероятно, представлял собой светило с массой в 5 солнечных и относился к спектральному классу В.

Сириус А, по подсчетам ученых, перейдет на следующую стадию эволюции примерно через 660 млн лет. Тогда он превратится в красного гиганта, а еще чуть позже — в белого карлика, как и его компаньон.

Альфа Орла

Как и Сириус, многие белые звезды, названия которых приведены ниже, из-за яркости и нередкого упоминания на страницах научно-фантастической литературы хорошо знакомы не только людям, увлекающимся астрономией. Альтаир — одно из таких светил. Альфа Орла встречается, например, у и Стивина Кинга. На ночном небе эта звезда хороша заметна из-за яркости и относительно близкого расположения. Расстояние, разделяющее Солнце и Альтаир, составляет 16,8 световых лет. Из звезд спектрального класса А ближе к нам только Сириус.

Альтаир по массе превышает Солнце в 1,8 раз. Его характерной особенностью является очень быстрое вращение. Один оборот вокруг оси звезда совершает меньше чем за девять часов. Скорость вращения в районе экватора — 286 км/с. Как результат «шустрый» Альтаир сплюснут с полюсов. Кроме того, из-за эллиптичной формы от полюсов к экватору снижается температура и яркость звезды. Этот эффект назван «гравитационным потемнением».

Еще одна особенность Альтаира в том, что его блеск со временем меняется. Он относится к переменным типа дельты Щита.

Альфа Лиры

Вега — самая изученная звезда после Солнца. Альфа Лиры — первая звезда, у которой определили спектр. Она же стала вторым после Солнца светилом, запечатленным на фотографии. Вега вошла и в число первых звезд, до которых ученые измерили расстояние методом парлакса. Длительный период яркость светила принималась за 0 при определении звездных величин других объектов.

Хорошо знакома альфа Лиры и астроному-любителю, и простому наблюдателю. Она является пятой по яркости среди звезд, входит в астеризм Летний треугольник вместе с Альтаиром и Денеб.

Расстояние от Солнца до Веги - 25,3 световых года. Ее экваториальный радиус и масса больше аналогичных параметров нашего светила в 2,78 и 2,3 раз соответственно. Форма звезды далека от идеального шара. Диаметр в районе экватора заметно больше, чем у полюсов. Причина — огромная скорость вращения. На экваторе она достигает 274 км/с (для Солнца этот параметр равен чуть больше двух километров в секунду).

Одна из особенностей Веги — окружающий ее пылевой диск. Предположительно, что он возник в результате большого числа столкновений комет и метеоритов. Пылевой диск вращается вокруг звезды и разогревается под действием ее излучения. В результате возрастает интенсивность инфракрасного излучения Веги. Не так давно в диске были обнаружены несимметричности. Вероятное их объяснение — наличие у звезды по крайней мере одной планеты.

Альфа Близнецов

Второй по яркости объект в созвездии Близнецов — это Кастор. Он так же, как и предыдущие светила, относится к спектральному классу А. Кастор — одна из самых ярких звезд ночного неба. В соответствующем списке он располагается на 23 месте.

Кастор представляет собой кратную систему, состоящую из шести компонентов. Два основные элемента (Кастор А и Кастор В) вращаются вокруг общего центра масс с периодом 350 лет. Каждая из двух звезд является спектральной-двойной. Компоненты Кастора А и Кастора В менее яркие и относятся предположительно к спектральному классу М.

Кастор С не сразу был связан с системой. Изначально он обозначался как самостоятельная звезда YY Близнецов. В процессе исследований этой области неба стало известно, что это светило физически связано с системой Кастора. Звезда вращается вокруг общего для всех компонентов центра масс с периодом в несколько десятков тысяч лет и также является спектральной-двойной.

Бета Возничего

Небесный рисунок Возничего включает примерно 150 «точек», многие из них — это белые звезды. Названия светил мало что скажут человеку, далекому от астрономии, но это не умаляет их значения для науки. Самым ярким объектом небесного рисунка, относящимся к спектральному классу А, является Менкалинан или бета Возничего. Имя звезды в переводе с арабского означает «плечо обладателя поводьев».

Менкалинан — тройная система. Два ее компонента — субгиганты спектрального класса А. Яркость каждого из них превышает аналогичный параметр Солнца в 48 раз. Они разделены расстоянием в 0,08 астрономические единицы. Третий компонент — это красный карлик, удаленный от пары на 330 а. е.

Эпсилон Большой Медведицы

Самая яркая «точка» в, пожалуй, наиболее известном созвездии северного неба (Большая Медведица) — это Алиот, также относящийся к классу А. Видимая величина — 1,76. В списке самых ярких светил звезда занимает 33 место. Алиот входит в астеризм Большой ковш и располагается ближе других светил к чаше.

Спектр Алиота характеризуется необычными линиями, колеблющимися с периодом в 5,1 дня. Предполагается, что особенности связаны с воздействием магнитного поля звезды. Колебания спектра, по последним данным, могут возникать из-за близкого расположения космического тела с массой в почти 15 масс Юпитера. Так ли это, пока загадка. Ее, как и другие тайны звезд, астрономы пытаются понять каждый день.

Белые карлики

Рассказ о белых звездах будет неполным, если не упомянуть о той стадии эволюции светил, которая обозначается как «белый карлик». Название свое такие объекты получили из-за того, что первые обнаруженные из них принадлежали спектральному классу А. Это был Сириус В и 40 Эридана В. На сегодняшний день белыми карликами называют один из вариантов финальной стадии жизни звезды.

Остановимся более подробно на жизненном цикле светил.

Звездная эволюция

За одну ночь звезды не рождаются: любая из них проходит несколько стадий. Сначала облако газа и пыли начинает сжиматься под действием собственных Медленно оно приобретает форму шара, при этом энергия гравитации превращается в тепло — растет температура объекта. В тот момент, когда она достигает величины в 20 миллионов Кельвинов, начинается реакция ядерного синтеза. Эта стадия и считается началом жизни полноценной звезды.

Большую часть времени светила проводят на главной последовательности. В их недрах постоянно идут реакции водородного цикла. Температура звезд при этом может различаться. Когда в ядре заканчивается весь водород, начинается новая стадия эволюции. Теперь топливом становится гелий. При этом звезда начинает расширяться. Ее светимость увеличивается, а температура поверхности, наоборот, падает. Звезда сходит с главной последовательности и становится красным гигантом.

Масса гелиевого ядра постепенно увеличивается, и оно начинает сжиматься под собственным весом. Стадия красного гиганта заканчивается гораздо быстрее, чем предыдущая. Путь, по которому пойдет дальнейшая эволюция, зависит от изначальной массы объекта. Маломассивные звезды на стадии красного гиганта начинают раздуваться. В результате этого процесса объект сбрасывает оболочки. Образуется и оголенное ядро звезды. В таком ядре завершились все реакции синтеза. Оно называется гелиевым белым карликом. Более массивные красные гиганты (до определенного предела) эволюционируют в углеродных белых карликов. В их ядрах присутствуют более тяжелые элементы, чем гелий.

Характеристики

Белые карлики — тела, по массе, как правило, очень близкие к Солнцу. При этом их размер соответствует земному. Колоссальная плотность этих космических тел и происходящие в их недрах процессы необъяснимы с точки зрения классической физики. Тайны звезд помогла раскрыть квантовая механика.

Вещество белых карликов представляет собой электронно-ядерную плазму. Сконструировать его даже в условиях лаборатории практически невозможно. Поэтому многие характеристики таких объектов остаются непонятными.

Даже если изучать всю ночь звезды, обнаружить хотя бы один белый карлик без специальной аппаратуры не получится. Их светимость значительно меньше солнечной. По подсчетам ученых, белые карлики составляют примерно от 3 до 10% всех объектов Галактики. Однако на сегодняшний день найдены лишь те из них, которые расположены не дальше, чем на расстоянии 200-300 парсек от Земли.

Белые карлики продолжают эволюционировать. Сразу после образования они имеют высокую температуру поверхности, но быстро остывают. Через несколько десятков миллиардов лет после образования, согласно теории, белый карлик превращается в черного карлика — не излучающее видимый свет тело.

Белая, красная или синяя звезда для наблюдателя отличаются прежде всего цветом. Астроном смотрит глубже. Цвет для него сразу многое рассказывает о температуре, размерах и массе объекта. Голубая или светлая синяя звезда — гигантский раскаленный шар, по всем параметрам сильно опережающий Солнце. Белые светила, примеры которых описаны в статье, несколько меньше. Номера звезд в различных каталогах также многое сообщают профессионалам, но далеко не все. Большое количество сведений о жизни далеких космических объектов либо еще не получили объяснения, либо остаются даже не обнаруженными.

Звезды: их рождение, жизнь и смерть [Издание третье, переработанное] Шкловский Иосиф Самуилович

Глава 10 Как устроены белые карлики?

Глава 10 Как устроены белые карлики?

В § 1, когда мы обсуждали физические свойства различных звезд, нанесенных на диаграмму Герцшпрунга - Рессела, было уже обращено внимание на так называемые «белые карлики». Типичным представителем этого класса звезд является знаменитый спутник Сириуса, так называемый «Сириус В». Тогда же подчеркивалось, что эти странные звезды - отнюдь не редкая категория каких-то патологических «уродцев» в нашей Галактике. Наоборот, это весьма многочисленная группа звезд. Их в Галактике должно быть по крайней мере несколько миллиардов, а может быть, и все десять миллиардов, т. е. до 10% всех звезд нашей гигантской звездной системы. Следовательно, белые карлики должны были образоваться в результате какого-то закономерного процесса, который имел место у заметной части звезд. А отсюда следует, что наше понимание мира звезд будет весьма далеким от полноты, если мы не поймем природу белых карликов и не выясним вопроса об их происхождении. Впрочем, в этом параграфе мы не будем обсуждать вопросов, связанных с проблемой образования белых карликов,- это будет сделано в § 13. Наша задача пока что - попытаться понять природу этих удивительных объектов. Основные особенности белых карликов таковы:

a. Масса не слишком отличается от массы Солнца при радиусе, в сотню раз меньшем, чем у Солнца. Размеры белых карликов одного порядка с размерами земного шара.

b. Отсюда следует огромная средняя плотность вещества, доходящая до 10 6 -10 7 г/см 3 (т. е. до десятка тонн, «запрессованных» в кубическом сантиметре!).

c. Светимость белых карликов очень мала: в сотни и тысячи раз меньше солнечной.

При первой же попытке проанализировать условия в недрах белых карликов мы сразу же сталкиваемся с очень большой трудностью. В § 6 была установлена связь между массой звезды, ее радиусом и центральной температурой (см. формулу (6.2)). Так как последняя должна быть обратно пропорциональна радиусу звезды, то центральные температуры белых карликов, казалось бы, должны достигать огромных значений порядка многих сотен миллионов кельвинов. При таких чудовищных температурах там должно было выделяться непомерно большое количество ядерной энергии. Даже если предположить, что весь водород там «выгорел», тройная гелиевая реакция должна быть весьма эффективной. Выделяющаяся при ядерных реакциях энергия обязана «просачиваться» на поверхность и уходить в межзвездное пространство в форме излучения, которое должно было быть исключительно мощным. А между тем светимость белых карликов совершенно ничтожна, на несколько порядков меньше, чем у «обычных» звезд той же массы. В чем тут дело?

Попытаемся разобраться в этом парадоксе.

Прежде всего столь сильное расхождение между ожидаемой и наблюдаемой светимостью означает, что формула (6.2) § 6 попросту неприменима к белым карликам. Вспомним теперь, какие основные допущения были сделаны при выводе этой формулы. Прежде всего предполагалось, что звезда находится в состоянии равновесия под действием двух сил: гравитации и газового давления. Не приходится сомневаться, что белые карлики находятся в состоянии гидростатического равновесия, которое мы подробно обсуждали в § 6. В противном случае за короткое время они перестали бы существовать: рассеялись в межзвездном пространстве, если давление превышало бы гравитацию, либо сжались «в точку», если гравитация не была бы скомпенсирована давлением газа. Не приходится также сомневаться в универсальности закона всемирного тяготения: сила гравитации действует повсеместно и она не зависит ни от каких других свойств вещества, кроме его количества. Тогда остается только одна возможность: усомниться в зависимости газового давления от температуры, которую мы получили с помощью хорошо известного закона Клапейрона.

Этот закон справедлив для идеального газа. В § 6 мы убедились, что вещество недр обычных звезд с достаточной точностью можно считать идеальным газом. Следовательно, логический вывод состоит в том, что очень плотное вещество недр белых карликов уже не является идеальным газом .

Правда, резонно вообще усомниться, является ли это вещество газом? Может быть, это жидкость или твердое тело? Легко убедиться, что это не так. Ведь в жидкостях и твердых телах плотно упакованы атомы , которые соприкасаются своими электронными оболочками, имеющими не такие уж маленькие размеры: порядка 10 -8 см. Ближе чем на такое расстояние атомные ядра, в которых сосредоточена практически вся масса атомов, «придвинуться» друг к другу не могут. Отсюда непосредственно следует, что средняя плотность твердого или жидкого вещества не может значительно превосходить

20 г/см 3 . Тот факт, что средняя плотность вещества в белых карликах может быть в десятки тысяч раз больше, означает, что ядра там находятся друг от друга на расстояниях, значительно меньших, чем 10 -8 см. Отсюда следует, что электронные оболочки атомов как бы «раздавлены» и ядра отделены от электронов. В этом смысле мы можем говорить о веществе недр белых карликов как об очень плотной плазме. Но плазма - это прежде всего газ, т. е. такое состояние вещества, когда расстояние между образующими его частицами значительно превышает размеры последних. В нашем случае расстояние между ядрами не меньше чем

10 -10 см, в то время как размеры ядер ничтожно малы - порядка 10 -12 см.

Итак, вещество недр белых карликов - это очень плотный ионизованный газ. Однако из-за огромной плотности его физические свойства резко отличаются от свойств идеального газа. Не следует путать это отличие свойств со свойствами реальных газов , о которых достаточно много говорится в курсе физики.

Специфические свойства ионизованного газа при сверхвысоких плотностях определяются вырождением . Это явление находит себе объяснение только в рамках квантовой механики . Классической физике понятие «вырождение» чуждо. Что же это такое? Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется сначала немного остановиться на особенностях движения электронов в атоме, описываемых законами квантовой механики. Состояние каждого электрона в атомной системе определяется заданием квантовых чисел. Эти числа суть главное квантовое число n , определяющее энергию электрона в атоме, квантовое число l , дающее значение орбитального вращательного момента электрона, квантовое число m , дающее значение проекции этого момента на физически выделенное направление (например, направление магнитного поля), и, наконец, квантовое число s , дающее значение собственного вращательного момента электрона (спин). Фундаментальным законом квантовой механики является принцип Паули , запрещающий для любой квантовой системы (например, сложного атома) двум каким-либо электронам иметь все квантовые числа одинаковыми. Поясним этот принцип на простой полуклассической боровской модели атома. Совокупность трех квантовых чисел (кроме спина) определяет орбиту электрона в атоме. Принцип Паули, применительно к этой модели атома, запрещает находиться на одной и той же квантовой орбите более чем двум электронам. Если на такой орбите находятся два электрона, то у них должны быть противоположно ориентированные спины. Это означает, что хотя три квантовых числа у таких электронов могут совпадать, квантовые числа, характеризующие спины электронов, должны быть различны.

Принцип Паули имеет огромное значение для всей атомной физики. В частности, только на основе этого принципа можно понять все особенности периодической системы элементов Менделеева. Принцип Паули имеет универсальное значение и применим ко всем квантовым системам, состоящим из большого числа тождественных частиц. Примером такой системы, в частности, являются обыкновенные металлы при комнатных температурах. Как известно, в металлах внешние электроны не связаны с «собственными» ядрами, а как бы «обобществлены». Они движутся в сложном электрическом поле ионной решетки металла. В грубом, полуклассическом приближении можно представить, что электроны движутся по некоторым, правда, весьма сложным траекториям, И конечно, для таких траекторий тоже должен выполняться принцип Паули. Это означает, что по каждой из упомянутых выше электронных траекторий может двигаться не больше двух электронов, которые должны отличаться своими спинами. Необходимо подчеркнуть, что согласно квантовомеханическим законам число таких возможных траекторий хотя и очень велико, но конечно. Следовательно, далеко не все геометрически возможные орбиты реализуются.

На самом деле, конечно, наше рассуждение является весьма упрощенным. Мы говорили выше о «траекториях» для наглядности. Вместо классической картины движения по траектории квантовая механика говорит только о состоянии электрона, описываемого несколькими совершенно определенными («квантовыми») параметрами. В каждом из возможных состояний электрон имеет некоторую определенную энергию. В рамках нашей модели движения по траекториям принцип Паули можно сформулировать еще так: по одной и той же «дозволенной» траектории могут двигаться с одинаковыми скоростями (т. е. иметь одинаковую энергию) не больше двух электронов.

Применительно к сложным, многоэлектронным атомам принцип Паули позволяет понять, почему у них электроны не «ссыпались» на самые «глубокие» орбиты, энергия которых минимальна. Другими словами, он дает ключ к пониманию строения атома. Точно так же обстоит дело и в случае электронов в металле, и в случае вещества недр белых карликов. Если бы одно и то же количество электронов и атомных ядер заполняло достаточно большой объем, то «для всех хватило бы места». Но представим себе теперь, что этот объем ограничен . Тогда только небольшая часть электронов заняла бы все возможные для их движения траектории, число которых по необходимости ограничено. Остальные электроны должны были бы двигаться по тем же самым траекториям, которые уже «заняты». Но в силу принципа Паули они будут двигаться по этим траекториям с большими скоростями и, следовательно, обладать большей энергией. Дело обстоит совершенно так же, как в многоэлектронном атоме, где из-за того же принципа «избыточные» электроны обязаны двигаться по орбитам с большей энергией.

В куске металла или в каком-нибудь объеме внутри белого карлика число электронов больше числа дозволенных траекторий движения. Иное дело в обычном газе, в частности, в недрах звезд главной последовательности. Там число электронов всегда меньше числа дозволенных траекторий. Поэтому электроны могут двигаться по разным траекториям с различными скоростями, как бы «не мешая» друг другу. Принцип Паули в этом случае не отражается на их движении. В таком газе устанавливается максвеллово распределение скоростей и выполняются хорошо известные из школьной физики законы газового состояния вещества, в частности, закон Клапейрона. Если «обычный» газ сильно сжать, то число возможных траекторий для электронов станет значительно меньше и, наконец, наступит такое состояние, когда на каждую траекторию придется больше двух электронов. В силу принципа Паули эти электроны обязаны иметь различные скорости, превышающие некоторое критическое значение. Если теперь сильно охладить этот сжатый газ, то скорости электронов отнюдь не уменьшатся. В противном случае, как легко понять, принцип Паули перестал бы выполняться. Даже вблизи абсолютного нуля скорости электронов в таком газе оставались бы большими. Газ, обладающий такими необычайными свойствами, называется вырожденным . Поведение такого газа целиком объясняется тем, что его частицы (в нашем случае - электроны) занимают все возможные траектории и движутся по ним «по необходимости» с весьма большими скоростями. В противоположность вырожденному газу скорости движения частиц в «обычном» газе при уменьшении его температуры становятся очень маленькими. В соответствии с этим уменьшается и его давление. Как же обстоит дело с давлением вырожденного газа? Для этого вспомним, что мы называем давлением газа. Это импульс, который частицы газа передают за одну секунду времени при столкновениях некоторой «стенке», ограничивающей его объем. Отсюда ясно, что давление вырожденного газа должно быть очень велико, так как скорости образующих его частиц велики. Даже при очень низких температурах давление вырожденного газа должно оставаться большим, так как скорости его частиц, в отличие от обычного газа, почти не уменьшаются с уменьшением температуры. Следует ожидать, что давление вырожденного газа мало зависит от его температуры, так как скорость движения образующих его частиц определяется прежде всего принципом Паули.

Наряду с электронами в недрах белых карликов должны быть «оголенные» ядра, а также сохранившие «внутренние» электронные оболочки сильно ионизованные атомы. Оказывается, что для них количество «дозволенных» траекторий всегда больше числа частиц. Поэтому они образуют не вырожденный, а «нормальный» газ. Скорости их определяются температурой вещества белых карликов и всегда много меньше, чем скорости электронов, обусловленных принципом Паули. Поэтому в недрах белых карликов давление обусловлено только вырожденным электронным газом. Отсюда следует, что равновесие белых карликов почти не зависит от их температуры.

Как показывают квантовомеханические расчеты, давление вырожденного электронного газа, выраженное в атмосферах, определяется формулой

(10.1)

где постоянная K = 3

10 6 , а плотность

выражена, как обычно, в граммах на кубический сантиметр. Формула (10.1) заменяет для вырожденного газа уравнение Клапейрона и является его «уравнением состояния». Характерной особенностью этого уравнения является то, что температура в него не входит. Кроме того, в отличие от уравнения Клапейрона, где давление пропорционально первой степени плотности, здесь зависимость давления от плотности более сильная. Это нетрудно понять. Ведь давление пропорционально концентрации частиц и их скорости. Концентрация частиц, естественно, пропорциональна плотности, а скорость частиц вырожденного газа растет с ростом плотности, так как при этом, согласно принципу Паули, растет количество «избыточных» частиц, вынужденных двигаться с большими скоростями.

Условием применимости формулы (10.1) является малость тепловых скоростей электронов по сравнению со скоростями, обусловленными «вырождением». При очень высоких температурах формула (10.1) должна переходить в формулу Клапейрона (6.2). Если давление, полученное для газа с плотностью

по формуле (10.1), больше , чем по формуле (6.2), значит, газ вырожден. Отсюда получается «условие вырождения»

(10.2)

Средняя молекулярная масса. Чему же равно

в недрах белых карликов? Прежде всего водорода там практически не должно быть: при таких огромных плотностях и достаточно высоких температурах он давно уже «сгорел» при ядерных реакциях. Основным элементом в недрах белых карликов должен быть гелий. Так как его атомная масса равна 4 и он при ионизации дает два электрона (при этом надо учитывать еще, что частицами, производящими давление, там являются только электроны), то средняя молекулярная масса должна быть очень близка к 2. Численно условие вырождения (10.2) записывается так:

(10.3)

Если, например, температура T = 300 К (комнатная температура), то

> 2, 5

10 -4 г/см 3 . Это очень низкая плотность, из которой сразу же следует, что электроны в металлах должны быть вырождены (на самом деле в этом случае постоянные K и

имеют другое значение, но суть дела при этом не меняется). Если температура T близка к температуре звездных недр, т. е. около 10 миллионов кельвинов, то > 1000 г/см 3 . Отсюда сразу же следуют два вывода:

a. В недрах обычных звезд, где плотность хотя и высока, но заведомо ниже 1000 г/см 3 , газ не вырожден. Это обосновывает применимость обычных законов газового состояния, которыми мы широко пользовались в § 6.

b. У белых карликов средние, а тем более центральные плотности заведомо больше 1000 г/см 3 . Поэтому обычные законы газового состояния для них неприменимы. Для понимания белых карликов необходимо знать свойства вырожденного газа, описываемые уравнением его состояния (10.1). Из этого уравнения прежде всего следует, что структура белых карликов практически не зависит от их температуры. Так как, с другой стороны, светимость этих объектов определяется, их температурой (например, скорость термоядерных реакций зависит от температуры), то мы можем сделать вывод, что структура белых карликов не зависит и от светимости. В принципе, белый карлик может существовать (т. е. находиться в равновесной конфигурации) и при температуре, близкой к абсолютному нулю. Мы приходим, таким образом, к выводу, что для белых карликов, в отличие от «обычных» звезд, не существует зависимость «масса - светимость».

Для этих необычных звезд, однако, существует специфическая зависимость «масса - радиус». Подобно тому как сделанные из одного какого-либо металла шары равной массы должны иметь равные диаметры, размеры белых карликов с одинаковой массой также должны быть одинаковы. Это утверждение, очевидно, несправедливо для других звезд: звезды-гиганты и звезды главной последовательности могут иметь одинаковые массы, но существенно разные диаметры. Такое отличие белых карликов от остальных звезд объясняется тем, что температура почти не играет никакой роли в их гидростатическом равновесии, которое и определяет структуру.

Коль скоро это так, должно быть некоторое универсальное соотношение, связывающее массы белых карликов и их радиусы. В нашу задачу не входит вывод этой важной зависимости, который далеко не является элементарным. Сама зависимость (в логарифмическом масштабе) представлена на рис. 10.1. На этом рисунке кружки и квадратики отмечают положение некоторых белых карликов с известными массами и радиусами. Приведенная на этом рисунке зависимость массы и радиуса для белых карликов имеет две любопытные особенности. Во-первых, из нее следует, что чем больше масса белого карлика, тем меньше его радиус. В этом отношении белые карлики ведут себя иначе, чем шары, выполненные из одного блока металла... Во-вторых, у белых карликов существует предельное допустимое значение массы[ 27 ]. Теория предсказывает, что в природе не могут существовать белые карлики, масса которых превышала бы 1,43 массы Солнца[ 28 ]. Если масса белого карлика приближается к этому критическому значению со стороны меньших масс, то его радиус будет стремиться к нулю. Практически это означает, что начиная с некоторой массы давление вырожденного газа уже не может уравновесить силу гравитации и звезда катастрофически сожмется.

Этот результат имеет исключительно большое значение для всей проблемы звездной эволюции. Поэтому стоит остановиться на нем несколько подробнее. По мере увеличения массы белого карлика его центральная плотность будет все более и более расти. Вырождение электронного газа будет становиться все сильнее. Это значит, что на одну «дозволенную» траекторию будет приходиться все большее число частиц. Им будет очень «тесно» и они будут (дабы не нарушать принцип Паули!) двигаться все с большими и большими скоростями. Эти скорости станут довольно близкими к скорости света. Возникнет новое состояние вещества, которое называется «релятивистским вырождением». Уравнение состояния такого газа изменится - оно уже не будет больше описываться формулой (10.1). Вместо (10.1) будет иметь место соотношение

(10.4)

Для оценки создавшейся ситуации положим, как это делалось в § 6,

M/R 3 . Тогда при релятивистском вырождении P M 4/ 3 /R 4 , а сила, противодействующая гравитации и равная перепаду давления,

Между тем сила гравитации равна

GM/R 2 M 2 /R 5 . Мы видим, что обе силы - гравитация и перепад давления - зависят от размеров звезды одинаковым образом: как R -5 , и по-разному зависят от массы. Следовательно, должно существовать некоторое, совершенно определенное значение массы звезды, при котором обе силы уравновешиваются. Если же масса превышает некоторое критическое значение, то сила гравитации всегда будет преобладать над силой, обусловленной перепадом давления, и звезда катастрофически сожмется.

Допустим теперь, что масса меньше критической. Тогда сила, обусловленная давлением, будет больше гравитационной, следовательно, звезда начнет расширяться. В процессе расширения релятивистское вырождение сменится обычным «нерелятивистским» вырождением. В этом случае из уравнения состояния P

5/ 3 следует, что P/R M 5/ 3 /R 6 , т. е. зависимость силы, противодействующей гравитации, от R будет более сильной. Поэтому при некотором значении радиуса расширение звезды прекратится.

Этот качественный анализ иллюстрирует, с одной стороны, необходимость существования зависимости масса - радиус для белых карликов и ее характер (т. е. то, что радиус тем меньше, чем больше масса), а, с другой стороны, обосновывает существование предельной массы, что является следствием с неизбежностью наступающего релятивистского вырождения. До каких пор могут сжиматься звезды с массой, большей, чем 1,2 солнечной массы? Эта увлекательная, ставшая в последние годы весьма актуальной, проблема будет обсуждаться в § 24.

Вещество недр белых карликов отличается высокой прозрачностью и теплопроводностью. Хорошая прозрачность этого вещества опять-таки объясняется принципом Паули. Ведь поглощение света в веществе связано с изменением состояния электронов, обусловленном их переходами с одной орбиты на другую. Но если подавляющее большинство «орбит» (или «траекторий») в вырожденном газе «занято», то такие переходы весьма затруднены. Только очень немногие, особенно быстрые электроны в плазме белого карлика могут поглощать кванты излучения. Теплопроводность вырожденного газа велика - тому примером служат обыкновенные металлы. По причине очень высоких прозрачности и теплопроводности в веществе белого карлика не могут возникать большие перепады температуры. Почти весь перепад температуры, если двигаться от поверхности белого карлика к его центру, происходит в очень тонком, наружном слое вещества, который находится в невырожденном состоянии. В этом слое, толщина которого порядка 1% от радиуса, температура возрастает от нескольких тысяч кельвинов на поверхности примерно до десяти миллионов кельвинов, а затем вплоть до центра звезды почти не меняется.

Белые карлики хотя и слабо, но все-таки излучают. Что является источником энергии этого излучения? Как уже подчеркивалось выше, водорода, основного ядерного горючего, в недрах белых карликов практически нет. Он почти весь выгорел на стадиях эволюции звезды, предшествовавших стадии белого карлика. Но, с другой стороны, спектроскопические наблюдения с очевидностью указывают на то, что в самых наружных слоях белых карликов водород имеется. Он либо не успел выгореть, либо (что более вероятно) попал туда из межзвездной среды. Не исключено, что источником энергии белых карликов могут быть водородные ядерные реакции, происходящие в очень тонком сферическом слое на границе плотного вырожденного вещества их недр и атмосферы. Кроме того, белые карлики могут поддерживать довольно высокую температуру своей поверхности путем обычной теплопроводности. Это означает, что не имеющие источников энергии белые карлики остывают, излучая за счет запасов своего тепла. А эти запасы весьма солидны. Так как движения электронов в веществе белых карликов обусловлены явлением вырождения, запас тепла в их недрах содержится в ядрах и ионизованных атомах. Полагая, что вещество белых карликов состоит в основном из гелия (атомный вес равен 4), легко найти количество тепловой энергии, содержащейся в белом карлике:

(10.5)

где m H - масса атома водорода, k - постоянная Больцмана. Время охлаждения белого карлика можно оценить, поделив E T на его светимость L . Оно оказывается порядка нескольких сотен миллионов лет.

На рис. 10.2 для ряда белых карликов приведена эмпирическая зависимость светимости от поверхностной температуры. Прямые линии суть геометрические места постоянных радиусов. Последние выражены в долях солнечного радиуса. Похоже на то, что эмпирические точки хорошо укладываются вдоль этих прямых. Это означает, что наблюдаемые белые карлики находятся на разных стадиях остывания.

В последние годы для десятка белых карликов было обнаружено сильное расщепление спектральных линий поглощения, обусловленное эффектом Зеемана. Из величины расщепления следует, что напряженность магнитного поля на поверхности этих звезд достигает огромного значения порядка десяти миллионов эрстед (Э). Столь большое значение магнитного поля, по-видимому, объясняется условиями образования белых карликов. Например, если предположить, что без существенной потери массы звезда сжимается, можно ожидать, что магнитный поток (т. е. произведение площади поверхности звезды на напряженность магнитного поля) сохраняет свое значение. Отсюда следует, что напряженность магнитного поля по мере сжатия звезды будет расти обратно пропорционально квадрату ее радиуса. Следовательно, она может вырасти в сотни тысяч раз. Этот механизм увеличения магнитного поля особенно важен для нейтронных звезд, о чем будет идти речь в § 22[ 29 ]. Интересно отметить, что большинство белых карликов не имеет поля более сильного, чем несколько тысяч эрстед. Таким образом, «намагниченные» белые карлики образуют особую группу среди звезд этого типа.«Черные» и «белые дыры» вселенной В марте 1974 года в Государственном астрономическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР появилось у входа любопытное объявление. На объединенном семинаре должен был читаться доклад под названием «Взрываются ли „белые дыры“?». Научный

Из книги Принц из страны облаков автора Гальфар Кристоф

Глава 4 Прижав ухо к стене, Тристам слушал, как затихает стук шагов Лазурро. Тем временем Том осматривал нижнюю дверь, которая остановила их падение.- Все в порядке? - спросил шепотом Тристам, вернувшись к другу.- Нет, совсем нет! Лучше было выйти и во всем признаться. Они

Из книги Глаз и Солнце автора Вавилов Сергей Иванович

Глава 7 В этот вечерний час площадь была почти безлюдной. Тристам решительным шагом двинулся вперед, но тут его окликнули.- А ты что здесь делаешь? Эй! Деревня! Я тебе говорю! Разве Лазурро не сцапал тебя в библиотеке?Это был Джерри, сын начальника облакостроителей, - тот,

Из книги Интерстеллар: наука за кадром автора Торн Кип Стивен

Глава 8 Оставив Тристама в дальнем конце сада, Том поднялся в свою комнату и стал натягивать сухую одежду. Колокольчик прозвенел еще раз, пора было идти к столу. Мешало одно: Том никак не мог забыть о книге из секретной библиотеки. Даже переодеваясь, он не отрывал от нее

Из книги автора

Глава 16 Ветер дул все сильнее. Стебли рисовых метелок нещадно хлестали Тома и Тристама, убегавших от преследователей. Обезумев от страха, мальчики думали только о том, чтобы нагнать г-жу Дрейк. До защитного ограждения было уже недалеко. Возле городской черты мать Тристама

Из книги автора

Глава 1 Тристам и Том летели очень высоко, много выше, чем поднимаются облака естественного происхождения. С тех пор как они оставили позади льдистую пелену, с которой на Миртильвиль обрушились войска тирана, прошел не один час.Небо здесь было не таким, как над их городком:

Из книги автора

Глава 2 В небе мерцали звезды Млечного Пути. С начала полета Том не проронил ни слова, но Тристам почувствовал, что его приятель уже не так хмур, как прежде.- Ночью Солнце освещает другую сторону Земли, - неожиданно заговорил Том.Тристам обернулся.- О чем ты?- О небе. Ты

Из книги автора

Глава 3 Светало. Космос и звезды постепенно исчезали. Небо наполнялось светом и утрачивало прозрачность. Стало очень, очень холодно. И очень тихо: казалось, ничто не предвещало неприятностей. Том и Тристам спали. Они не видели, что на пульте управления уже давно мигает

Из книги автора

Глава 4 - Приходит в себя, - произнес женский голос.Тристам открыл глаза. Он лежал на кровати, возле которой стояли трое: мужчина и две женщины. Потолок комнаты, где он находился, был выкрашен в темно-зеленый цвет. Стены тоже были зелеными, но более светлого оттенка.Окон не

Из книги автора

Глава 5 Когда дверь больницы открылась и выпустила конвой наружу, Тристам невольно зажмурился от яркого света. Вершины облачного семигорья, окружавшего город, сверкали такой чистой и ослепительной белизной, что ему пришлось идти за полицейскими с закрытыми глазами. Так,

Из книги автора

Глава 6 Тюрьма, со слепыми, без единого окна, стенами, размещалась глубоко в недрах облака, на котором была построена Белая Столица. Оказавшись в камере, напуганные Тристам и Том какое-то время молча сидели на кровати, отведенной им на двоих, - в действительности это были

Из книги автора

Глава 7 Прошло несколько часов. Тристам и Том лежали на жестких нарах в темной камере без окон, непрестанно ворочаясь с боку на бок. Лишь только напев флейты смолк, старик сразу задремал, что-то неразборчиво бормоча во сне.Тома снова начало знобить; Тристама же разбирал

Из книги автора

Глава 8 С прохладным и сыроватым рассветным воздухом смешивался густой дым, валивший из печных труб. На всех перекрестках в центре Белой Столицы были расставлены люди снегобоя. Они походили не столько на стражей порядка, сколько на оккупационные войска.Тристам и Том в

Из книги автора

Из книги автора

Звездная смерть: белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры Солнцу и Земле около 4,5 миллиарда лет, это примерно треть возраста Вселенной. Спустя примерно еще 6,5 миллиарда лет в солнечном ядре иссякнет ядерное топливо, которое поддерживает жар Солнца. Тогда начнется

Сообщение было встречено скептически, поскольку тёмный спутник оставался ненаблюдаемым, а его масса должна была быть достаточно велика - сравнимой с массой Сириуса.

Парадокс плотности

«Я был у своего друга … профессора Э. Пиккеринга с деловым визитом. С характерной для него добротой он предложил получить спектры всех звёзд, которые Хинкс и я наблюдали … с целью определения их параллаксов . Эта часть казавшейся рутинной работы оказалась весьма плодотворной - она привела к открытию того, что все звёзды очень малой абсолютной величины (то есть низкой светимости) имеют спектральный класс M (то есть очень низкую поверхностную температуру). Как мне помнится, обсуждая этот вопрос, я спросил у Пиккеринга о некоторых других слабых звёздах…, упомянув, в частности, 40 Эридана B . Ведя себя характерным для него образом, он тут же отправил запрос в офис (Гарвардской) обсерватории, и вскоре был получен ответ (я думаю, от миссис Флеминг), что спектр этой звезды - A (то есть высокая поверхностная температура). Даже в те палеозойские времена я знал об этих вещах достаточно, чтобы сразу же осознать, что здесь имеется крайнее несоответствие между тем, что мы тогда назвали бы „возможными“ значениями поверхностной яркости и плотности. Я, видимо, не скрыл, что не просто удивлён, а буквально сражён этим исключением из того, что казалось вполне нормальным правилом для характеристик звёзд. Пиккеринг же улыбнулся мне и сказал: „Именно такие исключения и ведут к расширению наших знаний“ - и белые карлики вошли в мир исследуемого»

Удивление Расселла вполне понятно: 40 Эридана B относится к относительно близким звёздам, и по наблюдаемому параллаксу можно достаточно точно определить расстояние до неё и, соответственно, светимость. Светимость 40 Эридана B оказалась аномально низкой для её спектрального класса - белые карлики образовали новую область на Г-Р диаграмме. Такое сочетание светимости, массы и температуры было непонятно и не находило объяснения в рамках стандартной модели строения звёзд главной последовательности, разработанной в 1920-х годах.

Высокая плотность белых карликов оставалась необъяснимой в рамках классической физики и астрономии и нашла объяснение лишь в рамках квантовой механики после появления статистики Ферми - Дирака . В 1926 году Фаулер в статье «Плотная материя» («On dense matter», Monthly Notices R. Astron. Soc. 87, 114-122 ) показал, что, в отличие от звёзд главной последовательности, для которых уравнение состояния основывается на модели идеального газа (стандартная модель Эддингтона), для белых карликов плотность и давление вещества определяются свойствами вырожденного электронного газа (ферми-газа) .

Следующим этапом в объяснении природы белых карликов стали работы Якова Френкеля и Чандрасекара . В 1928 году Френкель указал, что для белых карликов должен существовать верхний предел массы, и в 1931 году Чандрасекар в работе «Максимальная масса идеального белого карлика» («The maximum mass of ideal white dwarfs», Astroph. J. 74, 81-82 ) показал, что существует верхний предел масс белых карликов, то есть эти звёзды с массой выше определённого предела неустойчивы (предел Чандрасекара) и должны коллапсировать .

Происхождение белых карликов

Решение Фаулера объяснило внутреннее строение белых карликов, но не прояснило механизм их происхождения. В объяснении генезиса белых карликов ключевую роль сыграли две идеи: мысль астронома Эрнста Эпика , что красные гиганты образуются из звёзд главной последовательности в результате выгорания ядерного горючего, и предположение астронома Василия Фесенкова , сделанное вскоре после Второй мировой войны , что звёзды главной последовательности должны терять массу, и такая потеря массы должна оказывать существенное влияние на эволюцию звёзд . Эти предположения полностью подтвердились.

Тройная гелиевая реакция и изотермические ядра красных гигантов

В процессе эволюции звёзд главной последовательности происходит «выгорание» водорода - нуклеосинтез с образованием гелия (см. цикл Бете). Такое выгорание приводит к прекращению энерговыделения в центральных частях звезды, сжатию и, соответственно, к повышению температуры и плотности в её ядре. Рост температуры и плотности в звёздном ядре ведёт к условиям, в которых активируется новый источник термоядерной энергии: выгорание гелия (тройная гелиевая реакция или тройной альфа-процесс), характерный для красных гигантов и сверхгигантов.

При температурах порядка 10 8 К кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера : два ядра гелия ( 4 He , альфа-частицы) могут сливаться с образованием нестабильного изотопа бериллия :

Бо́льшая часть 8 Be снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении 8 Be с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода 12 C :

+ 7,3 МэВ .

Несмотря на весьма низкую равновесную концентрацию 8 Be (например, при температуре ~10 8 К отношение концентраций [ 8 Be]/[ 4 He] ~10 −10), скорость такой тройной гелиевой реакции оказывается достаточной для достижения нового гидростатического равновесия в горячем ядре звезды. Зависимость энерговыделения от температуры в тройной гелиевой реакции чрезвычайно высока, так, для диапазона температур ~1-2·10 8 К энерговыделение :

где - парциальная концентрация гелия в ядре (в рассматриваемом случае «выгорания» водорода близка к единице).

Следует, однако, отметить, что тройная гелиевая реакция характеризуется значительно меньшим энерговыделением, чем цикл Бете : в пересчёте на единицу массы энерговыделение при «горении» гелия более чем в 10 раз ниже, чем при «горении» водорода . По мере выгорания гелия и исчерпания источника энергии в ядре возможны и более сложные реакции нуклеосинтеза, однако, во-первых, для таких реакций требуются всё более высокие температуры, и, во-вторых, энерговыделение на единицу массы в таких реакциях падает по мере роста массовых чисел ядер, вступающих в реакцию.

Дополнительным фактором, по-видимому, влияющим на эволюцию ядер красных гигантов, является сочетание высокой температурной чувствительности тройной гелиевой реакции и реакций синтеза более тяжёлых ядер с механизмом нейтринного охлаждения : при высоких температурах и давлениях возможно рассеяние фотонов на электронах с образованием нейтрино -антинейтринных пар, которые свободно уносят энергию из ядра: звезда для них прозрачна. Скорость такого объёмного нейтринного охлаждения, в отличие от классического поверхностного фотонного охлаждения, не лимитирована процессами передачи энергии из недр звезды к её фотосфере . В результате реакции нуклеосинтеза в ядре звезды достигается новое равновесие, характеризующееся одинаковой температурой ядра: образуется изотермическое ядро (рис. 2).

В случае красных гигантов с относительно небольшой массой (порядка солнечной) изотермические ядра состоят, в основном, из гелия, в случае более массивных звёзд - из углерода и более тяжёлых элементов. Однако в любом случае плотность такого изотермического ядра настолько высока, что расстояния между электронами образующей ядро плазмы становятся соизмеримыми с их длиной волны Де Бройля , то есть выполняются условия вырождения электронного газа. Расчёты показывают, что плотность изотермических ядер соответствует плотности белых карликов, то есть ядрами красных гигантов являются белые карлики .

Таким образом, для белых карликов существует верхний предел массы (предел Чандрасекара). Интересно, что для наблюдаемых белых карликов существует и аналогичный нижний предел: поскольку скорость эволюции звёзд пропорциональна их массе, то мы можем наблюдать как маломассивные белые карлики лишь остатки тех звёзд, которые успели проэволюционировать за время от начального периода звездообразования Вселенной до наших дней.

Особенности спектров и спектральная классификация

Белые карлики выделяются в отдельный спектральный класс D (от англ. Dwarf - карлик), в настоящее время используется классификация, отражающая особенности спектров белых карликов, предложенная в 1983 г. Эдвардом Сионом; в этой классификации спектральный класс записывается в следующем формате :

D [подкласс] [особенности спектра] [температурный индекс] ,

при этом определены следующие подклассы:

• DA - в спектре присутствуют линии бальмеровской серии водорода , линии гелия не наблюдаются
• DB - в спектре присутствуют линии гелия He I, линии водорода или металлов отсутствуют
• DC - непрерывный спектр без линий поглощения
• DO - в спектре присутствуют сильные линии гелия He II, также могут присутствовать линии He I и H
• DZ - только линии металлов, линии H или He отсутствуют
• DQ - линии углерода, в том числе молекулярного C 2

и спектральные особенности:

• P - наблюдается поляризация света в магнитном поле
• H - поляризация при наличии магнитного поля не наблюдается
• V - звёзды типа ZZ Кита или другие переменные белые карлики
• X - пекулярные или неклассифицируемые спектры

Эволюция белых карликов

Рис. 8. Протопланетарная туманность NGC 1705. Видна серия сферических оболочек, сбрасываемых красным гигантом, сама звезда скрыта пылевым поясом.

Белые карлики начинают свою эволюцию как обнажившиеся вырожденные ядра красных гигантов, сбросивших свою оболочку - то есть в качестве центральных звёзд молодых планетарных туманностей . Температуры фотосфер ядер молодых планетарных туманностей чрезвычайно высоки - так, например, температура центральной звезды туманности NGC 7293 составляет от 90 000 К (оценка по линиям поглощения) до 130 000 К (оценка по рентгеновскому спектру) . При таких температурах большая часть спектра приходится на жёсткое ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение.

Вместе с тем, наблюдаемые белые карлики по своим спектрам преимущественно делятся на две большие группы - «водородные» спектрального класса DA, в спектрах которых отсутствуют линии гелия, которые составляют ~80 % популяции белых карликов, и «гелиевые» спектрального класса DB без линий водорода в спектрах, составляющие большую часть оставшихся 20 % популяции. Причина такого различия состава атмосфер белых карликов долгое время оставалась неясной. В 1984 году Ико Ибен рассмотрел сценарии «выхода» белых карликов из пульсирующих красных гигантов, находящихся на асимптотической ветви гигантов , на различных фазах пульсации . На поздней стадии эволюции у красных гигантов с массами до десяти солнечных в результате «выгорания» гелиевого ядра образуется вырожденное ядро, состоящее преимущественно из углерода и более тяжёлых элементов, окружённое невырожденным гелиевым слоевым источником, в котором идёт тройная гелиевая реакция. В свою очередь, над ним располагается слоевой водородный источник, в котором идут термоядерные реакции цикла Бете превращения водорода в гелий, окружённый водородной оболочкой; таким образом, внешний водородный слоевой источник является «производителем» гелия для гелиевого слоевого источника. Горение гелия в слоевом источнике подвержено тепловой неустойчивости вследствие чрезвычайно высокой зависимости от температуры, и это усугубляется большей скоростью преобразования водорода в гелий по сравнению со скоростью выгорания гелия; результатом становится накопление гелия, его сжатие до начала вырождения, резкое повышение скорости тройной гелиевой реакции и развитие слоевой гелиевой вспышки .

За крайне короткое время (~30 лет) светимость гелиевого источника увеличивается настолько, что горение гелия переходит в конвективный режим, слой расширяется, выталкивая наружу водородный слоевой источник, что ведёт к его охлаждению и прекращению горения водорода. После выгорания избытка гелия в процессе вспышки светимость гелиевого слоя падает, внешние водородные слои красного гиганта сжимаются, и происходит новый поджог водородного слоевого источника.

Ибен предположил, что пульсирующий красный гигант может сбросить оболочку, образовав планетарную туманность, как в фазе гелиевой вспышки, так и в спокойной фазе с активным слоевым водородным источником, и, поскольку поверхность отрыва оболочки зависит от фазы, то при сбросе оболочки во время гелиевой вспышки обнажается «гелиевый» белый карлик спектрального класса DB, а при сбросе оболочки гигантом с активным слоевым водородным источником - «водородный» карлик DA; длительность гелиевой вспышки составляет около 20 % от длительности цикла пульсации, что и объясняет соотношение водородных и гелиевых карликов DA:DB ~ 80:20.

Крупные звёзды (в 7-10 раз тяжелее Солнца) в какой-то момент «сжигают» водород, гелий и углерод и превращаются в белые карлики с богатым кислородом ядром. Звёзды SDSS 0922+2928 и SDSS 1102+2054 с кислородсодержащей атмосферой это подтверждают.

Поскольку белые карлики лишены собственных термоядерных источников энергии, то они излучают за счёт запасов своего тепла. Мощность излучения абсолютно чёрного тела (интегральная мощность по всему спектру), приходящаяся на единицу площади поверхности, пропорциональна четвёртой степени температуры тела:

где - мощность на единицу площади излучающей поверхности, а Вт/(м²·К 4) - постоянная Стефана-Больцмана.

Как уже отмечалось, в уравнение состояния вырожденного электронного газа температура не входит - то есть радиус белого карлика и излучающая площадь остаются неизменными: в результате, во-первых, для белых карликов не существует зависимость масса - светимость, но существует зависимость возраст - светимость (зависящая только от температуры, но не от площади излучающей поверхности), и, во-вторых, сверхгорячие молодые белые карлики должны достаточно быстро остывать, так как поток излучения и, соответственно, темп остывания, пропорционален четвёртой степени температуры.

Астрономические феномены с участием белых карликов

Рентгеновское излучение белых карликов

Рис. 9 Снимок Сириуса в мягком рентгеновском диапазоне. Яркий компонент - белый карлик Сириус Б, тусклый - Сириус А

Температура поверхности молодых белых карликов - изотропных ядер звёзд после сброса оболочек, очень высока - более 2·10 5 К, однако достаточно быстро падает за счёт нейтринного охлаждения и излучения с поверхности. Такие очень молодые белые карлики наблюдаются в рентгеновском диапазоне (например, наблюдения белого карлика HZ 43 спутником ROSAT). В рентгеновском диапазоне светимость белых карликов превышает светимость звезд главной последовательности: иллюстрацией могут служить снимки Сириуса , сделанные рентгеновским телескопом «Чандра» (см. Рис. 9) - на них белый карлик Сириус Б выглядит ярче, чем Сириус А спектрального класса A1, который в оптическом диапазоне в ~10 000 раз ярче Сириуса Б .

Температура поверхности наиболее горячих белых карликов - 7·10 4 К, наиболее холодных - ~5·10 3 К (см., например, Звезда ван Маанена).

Особенностью излучения белых карликов в рентгеновском диапазоне является тот факт, что основным источником рентгеновского излучения для них является фотосфера , что резко отличает их от «нормальных» звёзд: у последних в рентгене излучает корона , разогретая до нескольких миллионов кельвин, а температура фотосферы слишком низка для испускания рентгеновского излучения.

Аккреция на белые карлики в двойных системах

При эволюции звёзд различных масс в двойных системах темпы эволюции компонентов неодинаковы, при этом более массивный компонент может проэволюционировать в белый карлик, в то время как менее массивный к этому времени может оставаться на главной последовательности. В свою очередь, при сходе в процессе эволюции менее массивного компонента с главной последовательности и его переходе на ветвь красных гигантов размер эволюционирующей звезды начинает расти до тех пор, пока она не заполняет свою полость Роша . Поскольку полости Роша компонентов двойной системы соприкасаются в точке Лагранжа L 1 , то на этой стадии эволюции менее массивного компонента чего через точку L 1 начинается переток материи с красного гиганта в полость Роша белого карлика и дальнейшая аккреция богатой водородом материи на его поверхность (см. рис. 10), что приводит к ряду астрономических феноменов:

• Нестационарная аккреция на белые карлики в случае, если компаньоном является массивный красный карлик , приводит к возникновению карликовых новых (звёзд типа U Gem (UG)) и новоподобных катастрофических переменных звёзд .
• Аккреция на белые карлики, обладающие сильным магнитным полем , направляется в район магнитных полюсов белого карлика, и циклотронный механизм излучения аккрецирующей плазмы в околополярных областях магнитного поля карлика вызывает сильную поляризацию излучения в видимой области (поляры и промежуточные поляры).
• Аккреция на белые карлики богатого водородом вещества приводит к его накоплению на поверхности (состоящей преимущественно из гелия) и разогреву до температур реакции синтеза гелия, что, в случае развития тепловой неустойчивости, приводит к взрыву, наблюдаемому как вспышка новой звезды .
• Достаточно длительная и интенсивная аккреция на массивный белый карлик приводит к превышению его массой предела Чандрасекара и гравитационному коллапсу , наблюдаемому как вспышка сверхновой типа Ia (см. рис. 11).

Примечания

1. Я. Б. Зельдович , С. И. Блинников, Н. И. Шакура . . - М .: МГУ, 1981.
2. Sinuosités observées dans le mouvement propre de Sirius, Fig. 320, Flammarion C., Les étoiles et les curiosités du ciel, supplément de «l’Astronomie populaire», Marpon et Flammarion, 1882
3. On the proper motions of Procyon and Sirius (англ.) . (12/1844). Архивировано
4. Flammarion C. (1877). «The Companion of Sirius ». Astronomical register 15 : 186-189. Проверено 2010-01-05.
5. van Maanen A. Two Faint Stars with Large Proper Motion . Publications of the Astronomical Society of the Pacific (12/1917). - Vol. 29, No. 172, pp. 258-259. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.
6. В. В. Иванов. Белые карлики . Астронет (17.09.2002). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 6 мая 2009.
7. Fowler R. H. On dense matter (англ.) . Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (12/1926). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 22 июля 2009.
8. Chandrasekhar S. The Maximum Mass of Ideal White Dwarfs (англ.) . Astrophysical Journal (07/1931). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 22 июля 2009.
9. Шкловский И. С. О природе планетарных туманностей и их ядер // Астрономический журнал . - 1956. - Т. 33. - № 3. - С. 315-329.
10. A proposed new white dwarf spectral classification system , E. M. Sion, J. L. Greenstein, J. D. Landstreet, J. Liebert, H. L. Shipman, and G. A. Wegner, The Astrophysical Journal 269 , #1 (June 1, 1983), pp. 253-257.
11. Leahy, D. A.; C. Y. Zhang, Sun Kwok (1994). «Two-temperature X-ray emission from the planetary nebula NGC 7293 ». The Astrophysical Journal 422 : 205-207. Проверено 2010-07-05.
12. Iben Jr, I. (1984). «On the frequency of planetary nebula nuclei powered by helium burning and on the frequency of white dwarfs with hydrogen-deficient atmospheres». The Astrophysical Journal 277 : 333-354. ISSN 0004-637X .
13. София Нескучная Карлик дышит кислородом (рус.) . газета.ru (13.11.09 10:35). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 23 мая 2011.
14. Sirius A and B: A Double Star System In The Constellation Canis Major // Photo Album of Chandra X-Ray Observatory
15. Иванов В. В. Белые карлики . Астрономический институт им. В. В. Соболева. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 6 января 2010.

Литература

• Deborah Jean Warner. Alvan Clark and Sons: Artists in Optics. - Smithsonian Press, 1968.
• Я. Б. Зельдович, С. И. Блинников, Н. И. Шакура. Физические основы строения и эволюции звёзд . - М ., 1981.
• Шкловский И. С. Звёзды: их рождение, жизнь и смерть. - М .: Наука, 1984.
• Steven D. Kawaler, Igorʹ Dmitrievich Novikov, Ganesan Srinivasan, G. Meynet, Daniel Schaerer. Stellar remnants . - Springer, 1997. - ISBN 3540615202 , 9783540615200
• Киппенхан Р. (англ.) русск. 100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд = 100 Milliarden Sonnen / Пер. с нем. А. С. Доброславский, Б. Б. Страумал, под ред. И. М. Халатникова , А. В. Тутукова. - Мир . - М ., 1990. - 293 с. - 88 000 экз. - ISBN 5-03-001195-1
• Белые карлики // Физика космоса: Маленькая энциклопедия . - М .: Советская энциклопедия, 1986.

См. также

Ссылки

Белый карлик
Образование	Предел Чандрасекара · PG 1159 star · Звёздная эволюция · Диаграмма Герцшпрунга - Рассела · Мириды
Эволюция

Откуда берутся белые карлики?

Что станет со звездой в конце ее жизненного пути зависит от массы, которую звезда имела при рождении. Звезды, которые изначально имели большую массу, заканчивают свою жизнь как черные дыры и нейтронные звезды. Звезды малой или средней массы (с массами менее 8 масс Солнца) станут белыми карликами. Типичный белый карлик имеет приблизительно массу Солнца, а по размеру немного превосходит Землю. Белый карлик представляет собой одну из наиболее плотных форм материи, которую по плотности превосходят только нейтронные звезды и черные дыры.

Звезды средней массы, как наше Солнце, живут благодаря переработке водорода в их ядрах в гелий. Этот процесс происходит на Солнце в настоящий момент. Энергия, которую вырабатывает Солнце посредством термоядерного синтеза гелия из водорода, создает внутреннее давление. В следующие 5 миллиардов лет Солнце израсходует запас водорода в ядре.

Звезду можно сравнить со скороваркой. При нагревании герметичного контейнера в нем повышается давление. Похожая вещь происходит в Солнце, конечно, строго говоря, Солнце нельзя назвать герметичным контейнером. Гравитация действует на вещество звезды, пытаясь сжать его, а давление, создаваемое горячим газом в ядре пытается расширить звезду. Баланс между давлением и гравитацией очень тонкий.
Когда у Солнца закончится запас водорода, в этом балансе начнет доминировать гравитация и звезда начнет сжиматься. Однако при сжатии происходит нагревание и часть водорода, оставшаяся во внешних слоях звезды начинает гореть. Эта горящая оболочка водорода расширяет внешние слои звезды. Когда это произойдет, наше Солнце станет красным гигантом, оно станет таким большим, что Меркурий будет полностью поглощен. Когда звезда увеличивается в размерах, она охлаждается. Однако температура ядра красного гиганта увеличивается до тех пор, пока не станет достаточно высокой, чтобы загорелся гелий (синтезированный из водорода). В конце концов, гелий превратится в углерод и более тяжелые элементы. Стадия, в которой Солнце будет красным гигантом, займет 1 миллиард лет, в то время как стадия горения водорода занимает 10 миллиардов.

Шаровое скопление М4. Оптическое изображение с наземного телескопа(слева) и снимок телескопа Хаббла (справа). Белые карлики отмечены кружками. Ссылка:Harvey Richer (University of British Columbia, Vancouver, Canada), M. Bolte (University of California, Santa Cruz) and NASA/ESA

Мы уже знаем, что звезды средней массы как наше Солнце станут красными гигантами. Но что произойдет потом? Наш красный гигант будет производить углерод из гелия. Когда закончится гелий, ядро будет еще не достаточно горячим, чтобы запустить горение углерода. Что теперь?

Поскольку Солнце не будет достаточно горячим для того, чтобы пошел процесс горения углерода, за дело снова возьмется гравитация. При сжатии звезды высвободится энергия, которая приведет к дальнейшему расширению оболочки звезды. Теперь звезда станет еще больше, чем прежде! Радиус нашего Солнца станет больше, чем радиус орбиты Земли!

В этот период Солнце станет нестабильным и будет терять свое вещество. Это продолжится до тех пор, пока звезда полностью не сбросит свои внешние слои. Ядро звезды останется целым и станет белым карликом. Белый карлик будет окружен расширяющейся оболочкой из газа, которая называется планетарная туманность. Туманности называются планетарными, потому что первые наблюдатели считали их похожими на планеты Уран и Нептун. Существует несколько планетарных туманностей, которые можно увидеть в любительский телескоп. Примерно в половине из них в центре можно увидеть белый карлик, при использовании телескопа достаточно скромного размера.

Планетарная туманность является признаком перехода звезды средней массы из стадии красного гиганта в стадию белого карлика. Звезды, сравнимые по массе с нашим Солнцем, превратятся в белые карлики примерно за 75000 лет, постепенно сбрасываю свои оболочки. В конце концов, они, как и наше Солнце, будут постепенно охлаждаться и превратятся в черные глыбы углерода, это процесс займет примерно 10 миллиардов лет.

Наблюдения белых карликов

Существует несколько способов наблюдать белые карлики. Первый открытый белый карлик – звезда компаньон Сириуса, яркой звезды в созвездии большого пса. В 1844 году астроном Фридрих Бессель заметил у Сириуса слабые поступательные и попятные движения, как если бы вокруг него вращался невидимый объект. В 1863 оптики и конструктор телескопов Элван Кларк обнаружил этот таинственный объект. Звезда-компаньон была позже отождествлена с белым карликом. В настоящее время эта пара известна как Сириус А и Сириус B, где В – белый карлик. Орбитальный период этой системы 50 лет.

Стрелка указывает на белый карлик, Сириус B, рядом с большим Сириусом А. Ссылка:McDonald Observatory,NASA/SAO/CXC)

Поскольку белые карлики очень малы и, поэтому труднообнаружимы, двойные системы – один из способов их обнаружить. Как и в случае Сириуса, если звезда имеет необъяснимое движение определенного вида, можно обнаружить, что одиночная звезда на самом деле является кратной системой. При более подробном изучении можно определить, является ли звезда-компаньон белым карликом. Космический телескоп Хаббла с 2.4-метровым зеркалом и улучшенной оптикой успешно наблюдал белые карлики с помощью широкоугольной планетарной камеры. В августе 1995 с помощью этой камеры были проведены наблюдения более 75 белых карликов в шаровом скоплении M4 в созвездии Скорпиона. Эти белые карлики были настолько слабы, что самые яркие из них светили не ярче, чем лампочка 100 Вт находящаяся на расстоянии Луны. М4 находится на расстоянии 7000 световых лет от нас и является ближайшим к нам шаровым скоплением. Его возраст примерно 14 миллиардов лет, вот почему большая часть звезд этого скопления находится в завершающей стадии свой жизни.