Мой маленький желтый карлик: как устроена единственная звезда в нашей системе

Белые карлики в тесных двойных системах

Карлики могут входить в состав двойных систем, звезды-компоненты которых сближены настолько, что обмениваются веществом. В этом случае массивный плотный карлик будет перетягивать на себя вещество компаньона.

Водород, попадающий от соседней звезды на горячую поверхность карлика, разогревается до температуры, при которой начинается термоядерный синтез. В этом случае наблюдается вспышка, называемая новой звездой.

Если же при падении водорода на карлик его масса превзойдет предел Чандрасекара, происходит коллапс, сопровождающийся взрывом сверхновой типа Ia. Наблюдение таких сверхновых в далеких галактиках представляет большой интерес, поскольку по яркости вспышек, имеющих одинаковые характеристики, устанавливают расстояние до галактик.

Спектры и химический состав

Этим интереснейшим объектам присвоен отдельный спектральный класс D, в котором выделяют несколько подклассов, связанных с особенностями спектров, отражающих состав тонкой атмосферы карликов.

Так, атмосфера может быть водородной или гелиевой, а также характеризоваться присутствием обоих этих элементов и примесью более тяжелых (все, что тяжелее гелия, в астрономии принято именовать «металлами»). Линии углерода, кислорода, кальция, железа (объяснить их присутствие иногда бывает трудно), обнаружены в спектрах многих белых карликов.

Характеристика состава недр, согласно современным моделям, следующая: они содержат довольно много углерода и кислорода (столько, сколько «наработала» родительская звезда), а также гелий с малой примесью водорода. Ядра всех этих элементов образуют подобие решетки, а электроны – вырожденный газ, поэтому вещество имеет некоторые свойства, сближающие его с металлом, например, высокую теплопроводность.

Сердце красного гиганта

Если масса звезды не превышает некоторой пороговой величины (1,44 массы Солнца), ей суждено стать карликом. Каким образом это происходит? После исчерпания водорода в центре звезды образуется плотное гелиевое ядро – в сущности, шлак, наработанный за время ее жизни.

Энергия больше не отводится из центра, значит, растут температура и плотность – ведь звезду сжимает собственная гравитация. В какой-то момент они достигают такого значения, при котором уже гелий способен вступать в реакцию синтеза, образуя углерод. В оболочке звезды в это время происходят процессы, ведущие к ее раздуванию и охлаждению внешних областей. Звезда становится красным гигантом.

Ядро красного гиганта имеет изотермические свойства, охлаждаясь в основном не за счет отдачи излучения с поверхности, а в результате уноса энергии нейтрино – частицами, для которых ядро прозрачно.

Красный гигант – нестабильная звезда. В конце концов, она теряет свои внешние слои – при этом образуются такие зрелищные космические феномены, как планетарные туманности. Остается только горячее гелиевое ядро с большим или меньшим содержанием углерода и – в очень малой концентрации – более тяжелых элементов (кислород). Это ядро и есть белый карлик.

Типы карликовых светил

Стоит отметить, что все объекты класса обладают небольшим размером, но могут отличаться другими характеристиками. Поэтому звезды карлики поделили на типы и разновидности.

Звёзды в космосе

Звезды белые карлики

Между прочим, белый карлик это потухшая и остывающая звезда. Другими словами, тело, находящееся на конечном этапе эволюции. Несмотря на то, что по размеру они похожи с нашей планетой, масса примерно такая же, как солнечная. Причем данный тип относится к спектральному классу А.Как вы считаете, какая звезда превращается в белый карлик и чем отличаются белые карлики от обычных звезд?По сути, звёздное тело малой и средней величины может превращаться в данный тип. Но только на завершающей стадии своего жизненного цикла. Это, так называемые вырожденные звёзды. В них давление вырожденного газа оказывает сопротивление гравитации. Кстати, именно поэтому структура белых карликов отличается от остальных светил. Поскольку высокое давление оказывает прямое воздействие на атомы. Можно сказать, что при таких условиях возникает гравитационный коллапс. В результате формируется сильно сжатая и плотная структура из атомного ядра и электронов.Правда, давление вырожденного газа не позволяет коллапсу продолжаться. И таким образом происходит превращение объекта в белое карликовое светило. Но при условии, что его масса не более солнечной в 1,4 раза. Если же она больше, то образуется нейтронная звезда.

Белый карлик

Какие звезды называют желтыми карликами?

На самом деле, желтый карлик представляет собой тип звёздных тел главной последовательности, которые относятся к спектральному классу G. По оценке учёных, их масса может быть от 0,8 до 1,2 солнечных масс.После того, как в них сгорает весь водород, жёлтая карликовая звезда расширяется и превращается в красный гигант.

Солнце (жёлтый карлик)

Оранжевые карликовые светила

Еще один тип главной последовательности звёзд малого размера и спектрального класса К. Их масса колеблется от 0,5 до 0,8 массы Солнца, а длительность жизни выше нашего главного светила.Можно сказать, что оранжевые представители находятся где-то между жёлтыми и красными собратьями.

Красные карлики

Итак, звезда красный карлик представляет собой небольшое тело с невысоким значением массы. В результате для таких космических объектов характерны низкая температура и слабый уровень светимости. Собственно говоря, по этой причине они не видны с Земли без применения специальных приборов.На диаграмме Герцшпрунга-Рассела находятся в самом низу. Главным образом, они относятся к позднему спектральному классу, чаще всего к классу М.Что интересно, наша галактика Млечный Путь богата именно на красных карликовых звёзд. По оценке астрономов, на их долю приходится до 80% всех астрономических тел в пределах нашей галактической системы.

Проксима Центавра (красный карлик)

Коричневые представители

И наконец, коричневый карлик — звезда со слабой яркостью (класс Т). Поскольку при их формировании начальная масса небольшая. Из-за чего внутри них нет ядерных реакций. Они попросту не могут возникнуть. Как оказалось, коричневые светила являются очень холодными объектами.По данным учёных, в них протекают термоядерные реакции синтеза лёгких элементов. К примеру, лития, бора, бериллия. Однако тепловыделение небольшое, поэтому ядерные процессы заканчиваются. А само космическое тело довольно скоро остывает и превращается в объекты, похожие на планеты.

Корчневый карлик

Какие звезды карлики носят названия чёрные или мёртвые

В действительности, черный карлик — небольшое холодное светило, внутри которого отсутствуют какие-либо ядерные реакции. Либо потому что массы не хватило для возникновения этих процессов, либо в ядре сгорело всё топливо и они просто погасли. Во втором случае, их называют умершими или мёртвыми звёздными телами.

Чёрный карлик

Вдобавок, выделяют субкоричневые или коричневые субкарлики. По массе они уступают коричневым карликам. Более того, это совершенно холодные космические объекты.

 Чаще всего их относят к планетам.

Предел Чандрасекара

Давление вырожденного газа задается его плотностью. Оно, как и противодействующая сила гравитационного сжатия, имеет прямую зависимость (но в другой степени) от массы белых карликов и обратную – от их радиуса. То есть существуют такие значения массы, при которых давление будет уравновешивать гравитацию, что обеспечит стабильное существование карлика. Если же критическая величина 1,44 массы Солнца превышена, ядру звезды карликом не быть: давление не остановит сжатия, радиус будет продолжать уменьшаться, и сформируется нейтронная звезда.

Эта критическая масса носит наименование предела Чандрасекара в честь индийского физика, доказавшего в 1931 году ее существование. Чем больше масса карлика, тем меньше его радиус. Сила тяжести на таких звездах в десятки раз превышает таковую у поверхности Солнца. Впрочем, у Солнца в этом смысле все еще впереди: ему суждено через несколько миллиардов лет стать подобным карликом.

Черные карлики, потомки белых карликов

В нижней части диаграммы Герцшпрунга-Рассела расположена последовательность белых карликов. Такие звезды образуются на месте красного гиганта, постепенно теряющего газовую оболочку. Ядерных реакций в них не происходит, а состоят белые карлики из постепенно остывающей раскаленной плазмы. Предполагается, что в таком состоянии белый карлик просуществует около 10 триллионов лет, после чего его поверхность перестанет излучать видимый свет. В таком случае потухшую звезду станет невозможно обнаружить в телескоп, но она все равно останется целостным объектом, который будет выдавать его гравитационное воздействие.

Самым старым белым карликам, известным в настоящее время – около 12 миллиардов лет. Таким образом, до появления первых черных карликов Вселенная должна состариться еще в тысячу раз. Тем не менее, периодичность диаграммы Герцшпрунга-Рассела позволяет уверенно предположить, что черные карлики когда-нибудь возникнут.

Атмосфера холодных звезд

Еще одним признаком, по которому можно определить местонахождение таких звезд – это наличие метана. Этот газ не может накапливаться на обычных звездах из-за их высоких температур. Однако коричневые карлики относительно холодны, и поэтому метан легко накапливается в их атмосфере. Метановая атмосфера такого типа звезд является очень плотной.

На их поверхности бушуют неистовые ветры, и сюда никогда не проникают лучи других звезд, соответственно, погода никогда не бывает благоприятной. Поэтому на фото коричневые карлики выглядят негостеприимно. Исследователи космоса никогда не приближаются к этим звездам.

Посадить корабль на их поверхность невозможно. Сила их тяжести настолько чудовищна, что астронавты сразу же погибли бы в ее тисках еще до того, как корабль превратился бы в груду металла.

Многие из бурых карликов активно формируют около себя газопылевые облака, из которых, в свою очередь, формируются планеты. Такая планетная система недавно была обнаружена в созвездии Хамелеона.

Когда стали известны белые карлики?

Несмотря на то, что первым белым карликом, открытым астрофизиками, считается Сириус В, имеются сторонники версии более раннего знакомства научного сообщества со звездными объектами этого класса. Еще в 1785 году астроном Гершель впервые включил в звездный каталог тройную звездную систему в созвездии Эридана, разделив все звезды по отдельности. Только спустя 125 лет астрономы выявили аномально низкую светимость 40 Эридана В при высокой цветовой температуре, что послужило поводом для выделения таких объектов в отдельный класс.

40 Эридан

Объект обладал слабым блеском, соответствующим звездной величине +9,52m. Белый карлик обладал массой ½ солнечной и имел диаметр меньше земного. Эти параметры противоречили теории внутреннего строения звезд, где светимость, радиус и температура поверхности звезды являлись ключевыми параметрами определения класса звезды. Маленький диаметр, низкая светимость с точки зрения физических процессов не соответствовали высокой цветовой температуре. Такое несоответствие вызывало много вопросов.

Сириус

Виды звезд в наблюдаемой Вселенной

Во Вселенной существует множество различных звезд. Большие и маленькие, горячие и холодные, заряженные и не заряженные. В этой статье мы назовем основные виды звезд, а также дадим подробную характеристику Жёлтым и Белым карликам.

1. Жёлтый карлик. Жёлтый карлик – тип небольших звёзд главной последовательности, имеющих массу от 0,8 до 1,2 массы Солнца и температуру поверхности 5000–6000 K. Подробнее об этом типе звезд нем смотрите ниже.
2. Красный гигант. Красный гигант – это крупная звезда красноватого или оранжевого цвета. Образование таких звезд возможно как на стадии звездообразования, так и на поздних стадиях их существования. Крупнейшие из гигантов превращаются в красных супергигантов. Звезда под названием Бетельгейзе из созвездия Орион – самый яркий пример красного супергиганта.
3. Белый карлик. Белый карлик – это то, что остаётся от обычной звезды с массой, не превышающей 1,4 солнечной массы, после того, как она проходит стадию красного гиганта. Подробнее об этом типе звезд нем смотрите ниже.
4. Красный карлик. Красные карлики – самые распространённые объекты звёздного типа во Вселенной. Оценка их численности варьируется в диапазоне от 70 до 90% от числа всех звёзд в галактике. Они довольно сильно отличаются от других звезд.
5. Коричневый карлик. Коричневый карлик – субзвездные объекты (с массами в диапазоне примерно от 0,01 до 0,08 массы Солнца, или, соответственно, от 12,57 до 80,35 массы Юпитера и диаметром примерно равным диаметру Юпитера), в недрах которых, в отличие от звезд главной последовательности, не происходит реакции термоядерного синтеза c превращением водорода в гелий.
6. Субкоричневые карлики. Субкоричневые карлики или коричневые субкарлики – холодные формирования, по массе лежащие ниже предела коричневых карликов. Масса их меньше примерно одной сотой массы Солнца или, соответственно, 12,57 массы Юпитера, нижний предел не определён. Их в большей мере принято считать планетами, хотя к окончательному заключению о том, что считать планетой, а что – субкоричневым карликом научное сообщество пока не пришло.
7. Черный карлик. Черные карлики – остывшие и вследствие этого не излучающие в видимом диапазоне белые карлики. Представляет собой конечную стадию эволюции белых карликов. Массы черных карликов, подобно массам белых карликов, ограничиваются сверху 1,4 массами Солнца.
8. Двойная звезда. Двойная звезда – это две гравитационно связанные звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс.
9. Новая звезда. Звезды, светимость которых внезапно увеличивается в 10 000 раз. Новая звезда представляет собой двойную систему, состоящую из белого карлика и звезды-компаньона, находящейся на главной последовательности. В таких системах газ со звезды постепенно перетекает на белый карлик и периодически там взрывается, вызывая вспышку светимости.
10. Сверхновая звезда. Сверхновая звезда – это звезда, заканчивающая свою эволюцию в катастрофическом взрывном процессе. Вспышка при этом может быть на несколько порядков больше чем в случае новой звезды. Столь мощный взрыв есть следствие процессов, протекающих в звезде на последний стадии эволюции.
11. Нейтронная звезда. Нейтронные звезды (НЗ) – это звездные образования с массами порядка 1,5 солнечных и размерами, заметно меньшими белых карликов, порядка 10-20 км в диаметре. Они состоят в основном из нейтральных субатомных частиц – нейтронов, плотно сжатых гравитационными силами. В нашей Галактике, по оценкам ученых, могут существовать от 100 млн до 1 млрд нейтронных звёзд, то есть где-то по одной на тысячу обычных звёзд.
12. Пульсары. Пульсары – космические источники электромагнитных излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов). Согласно доминирующей астрофизической модели, пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звёзды с магнитным полем, которое наклонено к оси вращения. Когда Земля попадает в конус, образуемый этим излучением, то можно зафиксировать импульс излучения, повторяющийся через промежутки времени, равные периоду обращения звезды. Некоторые нейтронные звёзды совершают до 600 оборотов в секунду.
13. Цефеиды. Цефеиды – класс пульсирующих переменных звёзд с довольно точной зависимостью период-светимость, названный в честь звезды Дельта Цефея. Одной из наиболее известных цефеид является Полярная звезда. Приведенный перечень основных видов (типов) звезд с их краткой характеристикой, разумеется, не исчерпывает всего возможного многообразия звезд во Вселенной.

Что такое белый карлик: звезда или фантом?

Только недавно, в XX веке ученым стало понятно, что белый карлик – это все, что осталось в космосе от обычной звезды. Изучение звезд с точки зрения термоядерной физики дало представление о процессах, которые бушуют в недрах небесных светил. Звезды, образовавшиеся в результате взаимодействия сил гравитации, представляют собой колоссальный термоядерный реактор, в котором постоянно происходят цепные реакции деления ядер водорода и гелия. В таких сложных системах темпы эволюции компонентов неодинаковы. Огромные запасы водорода обеспечивают жизнь звезды на миллиарды лет вперед. Термоядерные водородные реакции способствуют образованию гелия и углерода. Следом за термоядерным синтезом в дело вступают законы термодинамики.

Белый карлик

Схема термоядерного синтеза звезды

Термоядерный синтез истощает звезду. Водород иссякает, а гелий, как более массивный компонент может проэволюционировать дальше, достигнув нового состояния. Все это приводит к тому, что сначала красные гиганты образуются на месте обычной звезды, и звезда покидает главную последовательность. Таким образом, небесное светило, встав на путь своего медленного и неизбежного старения постепенно трансформируется. Старость звезды – это долгий путь в небытие. Все это происходит очень медленно. Белый карлик является небесным светилом, с которым вне пределов главной последовательности, происходит неизбежный процесс угасания. Реакция синтеза гелия приводит к тому, что ядро стареющей звезды сжимается, светило окончательно теряет свою оболочку.

Открытие странных объектов

История изучения необычных звезд взяла старт в начале XX века, когда астрономы объединили результаты наблюдений нескольких близкорасположенных кратных звездных систем – 40 Эридана, Сириуса и Проциона. Выяснилось, что в каждой из этих систем один из компонентов характеризуется странным сочетанием свойств. Их орбитальные параметры свидетельствовали о достаточно большой массе, сравнимой с массой обычной звезды; спектральные характеристики указывали на высокую температуру. Светимость же этих объектов оказалась весьма малой – это были слабые, тусклые звездочки.

В 1917 году был открыт первый одиночный объект с подобными свойствами – звезда Ван Маанена, расположенная в 14 световых годах от Солнца. Масса ее составляет 0,7 солнечных масс, и при этом наше Солнце излучает более чем в пять тысяч раз мощнее, чем звезда Ван Маанена, получившая имя в честь своего первооткрывателя – голландского астронома, работавшего в США.

В 1922 году еще один голландский американец, В. Я. Лейтен, открывший несколько таких объектов, предложил для этого класса звезд название, которое мы употребляем и поныне: «белый карлик». Здесь термин «белый» означает «горячий» и связан со спектральными особенностями.

Открытие

К началу 30-х гг. XX в. в общих чертах сложилась теория внутреннего строения звезд. Задавая массу звезды и ее химический состав, теоретики могли рассчитать все наблюдаемые характеристики звезды — ее светимость, радиус, температуру поверхности и т. д. Однако эту стройную картину нарушала невзрачная звездочка 40 Эридана В, открытая английским астрономом Вильямом Гершелем в 1783 г. Для своей высокой температуры она имела слишком небольшую светимость, а следовательно, слишком малые размеры. С точки зрения классической физики это не поддавалось объяснению. Спустя некоторое время были найдены и другие необычные звезды. Самым знаменитым из этих открытий стало открытие Сириуса В — невидимого спутника самой яркой звезды — Сириуса. Астроном Фридрих Вильгельм Бессель (немецкий математик и астроном), наблюдая за Сириусом, обнаружил, что он движется не по прямой, а «слегка по синусоиде». Примерно десять лет наблюдений и размышлений привели Бесселя к выводу, что рядом с Сириусом находится вторая звезда, оказывающая на него гравитационное воздействие.

Предсказание Бесселя подтвердились после того, как А. Кларк в 1862 г. сконструировал телескоп с объективом диаметром 46 см, на тот момент самый большой телескоп в мире. Для проверки качества линзы его направили на Сириус — самую яркую звезду. В поле зрения телескопа появилась еще одна звезда, неяркая, которую и предсказывал Бессель.

Температура Сириуса В оказалась равной 25 000 К — в 2,5 раза выше, чем у яркого Сириуса А. С учетом размеров звезды это указывало на чрезвычайно высокую плотность ее вещества — 106г/см³. Наперсток такого вещества весил бы на Земле миллион тонн.

Как оказалось, белые карлики — это звездные «огарки», ведущие свое происхождение от обычных звезд. Равновесие обычных звезд поддерживается силой давления раскаленной плазмы, которая противостоит силе гравитации (тяготения). Чтобы равновесие сохранялось, необходимы внутренние источники энергии, иначе звезда, теряя энергию на излучение потоков света в окружающее пространство, не выдержала бы противоборства с гравитационными силами. Таким внутренним источником служат термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Как только в центральных областях звезды «выгорает» весь водород, равновесие нарушается и звезда начинает сжиматься под действием собственной тяжести. Типичная плотность окружающих нас предметов составляет несколько граммов на 1 см³ (примерно такова характерная плотность атома). Такую же среднюю плотность имеют звезды типа нашего Солнца. Однако, если обычную звезду сжать в 100 раз, атомы «вожмутся» друг в друга и звезда превратится в один гигантский атом, в котором энергетические уровни отдельных атомов «сцепятся» воедино. При таких плотно­стях электроны образуют так называемый вырожденный элек­тронный газ — особое квантовое состояние, при котором все электроны белого карлика «чувствуют» друг друга и образу­ют единый коллектив — именно он и противостоит гравитаци­онному сжатию. Так звезда превращается в плотное ядро — белый карлик.

Крайности

Это белые карлики, которые, как сейчас известно, подходят этим условиям.

Первые

Это были первые обнаруженные белые карлики, соответствующие этим условиям.

Последние научные выводы

Небесные светила, с которыми мы имеем дело, представляют собой естественный природный полигон, благодаря которому человек может изучить строение звезд, этапы их эволюции. Если рождение звезд можно объяснить физическими законами, которые одинаково действуют в любой обстановке, то эволюция звезд представлена совершенно иными процессами. Научное объяснение многих из них переходит в категорию квантовой механики, науки об элементарных частицах.

Снимки белого карлика

Белые карлики выглядят в этом свете самыми загадочными объектами:

• Во-первых, очень любопытно выглядит процесс вырождения ядра звезды, в результате которого звездное вещество не разлетается в космосе, а наоборот, сжимается до невообразимых размеров;
• Во-вторых, при отсутствии термоядерных реакций, белые карлики остаются достаточно горячими космическими объектами;
• В-третьих, эти звезды, имея высокую цветовую температуру, обладают низкой светимостью.

На эти и многие другие вопросы учеными всех мастей, астрофизикам, физикам и ядерщикам еще предстоит дать ответы, которые позволят предугадать судьбу нашего родного светила. Солнце ожидает судьба белого карлика, однако остается под вопросом, сможет ли человек наблюдать Солнце в этой роли.

Похожие записи:

Парамагнетизм и диамагнетизм Церковные православные праздники в декабре 2020 года День рождения 26 февраля: какой знак зодиака, характер детей и взрослых, имена Как планеты в натальной карте влияют на судьбу человека Троллейбус Лунный календарь стрижек на 2020 год