Белые карлики

В 1844 году выдающимся немецким математиком и астрономом Фридрихом Бесселем во время наблюдения за Сириусом был зафиксирован факт незначительного отклонения звезды от прямого курса. Это натолкнуло его на мысль, что у Сириуса, может быть, массивная звезда-спутник. Его теория нашла подтверждение спустя 18 лет, когда американским конструктором телескопов и астрономом Альваном Грэхэмом Кларком была обнаружена неяркая звезда возле Сириуса, получившая в дальнейшем название Сириус Б. В 1896 году астрономом Джоном Шеберле был открыт Процион В, существование которого было предсказано Бесселем ещё в 1844 году. Само название «Белый карлик» предложил использовать Виллем Лейтен в 1922 году.

Белый карлик Сириус B (отмечен стрелкой) рядом с ярким Сириусом A. Фото телескопа Хаббл

История открытия белых карликов

Современная наука о звездах обрела свои реальные очертания только в середине XX века. Уже в начале 30-х годов ученые-астрофизики могли свободно рассчитать параметры любой наблюдаемой звезды: ее светимость, размеры и температуру. На этом фоне явно выделялся один объект, который портил всю стройную картину – звезда 40 Эридана В, обнаруженная еще в далеком 1783 году известным астрономом Уильямом Гершелем. В отличие от привычных звезд для этого светила было характерно явное несоответствие: небольшие размеры, низкая светимость и высокая температура. Подобные факты шли в разрез со всеми существующими законами физики. Со временем удалось обнаружить еще несколько подобных объектов, одним из которых стал Сириус В. Да, именно Сириус В – скромная маленькая звездочка, пребывающая в тени своей ослепительной соседки Сириуса.

Поводом к открытию стало наблюдением за поведением Сириуса, которое проводил немецкий астроном Вильгельм Бессель. Ему удалось обнаружить неестественное для звезды движение. Сириус двигался в космическом пространстве по синусоиде. Долгие годы ученый ломал голову над этой загадкой, пока не пришел к выводу, что рядом с Сириусом расположена другая звезда, небольшая и едва заметна. Именно ее гравитационные силы воздействуют на поведение Сириуса. Позже, в 1862 году А. Кларку удалось с помощью мощного оптического телескопа обнаружить невзрачного соседа Сириуса. Таким образом, выяснилось, что предсказания и расчеты Бесселя оказались правильными.

Наблюдение за Сириусом

Уже в XX веке удалось выяснить, что «двойник Сириуса» имеет температуру 25000К выше, чем у самой яркой звезды. Небольшие размеры столь горячего тела наталкивали ученых на мысль, что причина такого состояния – высокая плотность объекта. Это открытие в корне перевернуло всю устоявшуюся теорию о происхождении звезд. Появился новый и важный элемент в эволюции звездного населения галактик Вселенной. Наука получила в свои руки доказательства природы старения звезд.

Строение белого карлика

Радиус белого карлика сравним с радиусом Земли, а масса составляет от 0,6 до 1,44 солнечной. Температура на поверхности достигает 20 000 К.

Но тут есть тонкость. Белый карлик — многокомпонентная динамическая система. Поэтому с теплом он расстаётся гораздо «сложнее», чем, например, раскалённый металл. На охлаждение звезды влияет множество процессов в ядре и плазменной оболочке. Самый парадоксальный был предсказан в двух статьях, опубликованных в 1960 году советским «Журналом экспериментальной и теоретической физики». Первую работу ещё в августе 1959‑го представил сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева Давид Киржниц. Вторая статья принадлежала будущему лауреату Нобелевской премии Алексею Абрикосову, работавшему в то время в Институте физических проблем. К аналогичным выводам годом позже пришёл профессор Корнеллского университета астрофизик Эдвин Солпитер.

Звезда ван Маанена Ближайший одиночный белый карлик находится на расстоянии 14,1 светового года от Солнца. Возраст оценивается в 10 млрд лет. В силу большого возраста температура поверхности составляет всего 4000 К.

Все эти учёные рассуждали примерно одинаково. С конца 1920‑х годов было известно, что вещество в центре карлика состоит из погружённых в электронный газ положительных ионов (фактически голых ядер) тех элементов, что образовались на заключительной стадии термоядерного синтеза. Однако астрофизики ещё долго не могли выяснить, на каком рубеже этот синтез прекращается. Киржниц предположил, что средний атомный номер таких элементов равен десяти и почти угадал: в Периодической таблице элементов углерод занимает шестое место, а кислород восьмое.

Поскольку вещество в центре белого карлика сильно сжато, новорождённые атомы теряют электроны, которые полностью обобществляются. Возникает чрезвычайно плотный электронный газ, «омывающий» ионы углерода и кислорода. Он подчиняется законам квантовой механики и потому совершенно не похож на обычный воздух. Электроны заполняют все возможные квантовые состояния, энергия которых намного больше энергии теплового движения и связей между электронами и ионами. Поэтому плотность электронного «моря» постоянна и практически не зависит от движения ионов.

Сами же ионы в этих условиях ведут себя как классические частицы, взаимодействующие между собой согласно закону Кулона. Такая система называется кулоновской плазмой.

Самая яркая звезда в ночном небе — это Сириус А и её крошечный спутник — белый карлик Сириус В. Диаметр Сириуса B равен 12 000 километров, а яркость примерно в 10 000 раз слабее, чем у Сириуса А. Экранирование светом более яркого спутника затрудняет изучение белого карлика. Однако астрономы смогли изолировать свет Сириуса B и рассеять в спектре. Это позволило вычислить его массу — 98% солнечной. Также получилось оценить температуру поверхности карлика — 25 000 °С.

А теперь самое интересное. Пока ядро карлика остаётся очень горячим, ионы совершают хаотические движения, и кулоновская плазма мало чем отличается от идеального газа. Однако при снижении температуры кулоновское взаимодействие между ионами вынуждает их переходить от хаоса к геометрическому порядку. Погружённые в электронное «море» ионы образуют правильную периодическую решётку — перестраиваются в кристаллическую структуру. Это происходит потому, что решётка имеет меньшую энергию, чем хаотическое распределение. Кристаллизация энергетически выгодна ионам. Этот процесс ничем не отличается от замерзания воды при нулевой температуре.

Насколько должен остыть карлик, чтобы произошла кристаллизация? Точный ответ неизвестен и сейчас, а приблизительный был дан давно. В 1966 году отец американской водородной бомбы Эдвард Теллер подсчитал, что в данном случае температура фазового перехода примерно равна 10 млн градусов. Значит, для кристаллизации ядра его первоначальная температура должна понизиться где-то на порядок.

Из этого следует важный вывод, что кристаллизация любой субстанции, будь то вода, расплав железа или сверхплотная кулоновская плазма, приводит к выделению тепла. Поэтому процесс кристаллизации должен замедлить остывание ядра белого карлика и повлиять на его светимость. Этот феномен можно обнаружить, измеряя абсолютную яркость подобных звёзд. А это уже дело астрономов-наблюдателей.

Задачу попытался решить в 1968 году профессор физики и астрономии Ро­­чес­тер­ского университета Хью ван Хорн, который представил модель крис­таллизации ядер белых карликов, сославшись на работы Киржница, Абрикосова и Солпитера. В своей статье в Astrophysical Journal он проанализировал результаты измерений абсолютной яркости 65 белых карликов, опубликованные тремя годами ранее. Они позволили разделить звёзды на две группы, в одной из которых ван Хорн увидел кандидатов в карлики с кристаллическими ядрами. Однако позднее он признал свой вывод преждевременным, так что вопрос об адекватности модели оставался открытым.

Процесс кристаллизации ядра должен отразиться на светимости белого карлика. Для её измерения нужно знать его видимую яркость и расстояние от Солнечной системы. Поэтому для надёжной проверки модели требовалось как можно больше данных. Первый реальный успех пришёл недавно. В 2009 году были опубликованы результаты наблюдений белых карликов, входящих в состав старого (свыше 13 миллиардов лет!) шарового звёздного скопления NGC 6397, удалённого от Солнца на 7800 световых лет. Данные об их абсолютной светимости хорошо подтвердили модель кристаллизации. Такие же выводы были получены при наблюдении аналогичных скоплений — глобулярных кластеров.

Глобулярный кластер — это скоп­ление большого количества звёзд, тесно связанных гравитацией и обращающихся вокруг галактического центра в качестве спутника.

Бинарная система с белым карликом

Работа с глобулярными кластерами решает проблему определения дистанции. Понятно почему — поперечник клас­тера много меньше, чем его расстояние до Солнца, поэтому все наблюдаемые звёзды можно считать равноудалёнными. Однако подобные скопления содержат звёзды-ровесники, к тому же обычно очень старые. Для настоящей проверки предсказаний Киржница, Абрикосова и Солпитера нужны были сведения о светимости белых карликов разных возрастов и начальных масс.

Ближайший к Земле глобулярный ­кластер M4 (четвёртый объект в каталоге звёздных скоплений и туманностей Мессье) содержит более 100 000 звёзд. M4 стал объектом наблюдения ­телескопа «Хаббл», искавшего белых ­карликов. Расстояние до кластера — 7000 световых лет.

Планетарная туманность NGC 6302

Биполярная планетарная туманность в созвездии Скорпион. Центральная звезда туманности (белый карлик) была обнаружена телескопом «Хаббл» в 2009 году, температура её поверхности превышает 200 000 °С.

Расстояние до Земли: 3392 световых года.

Дата открытия: 1880 год.

Диаметр: 3 световых года.

Планетарная туманность NGC 2818 в созвездии Компас

Горячее звёздное ядро в виде белого карлика, оставшееся после взрыва, теперь будет остывать в течение миллионов лет.

Расстояние до Земли: 10 400 световых лет.

Дата открытия: 1826 год.

Остаток сверхновой SN 1006

Представляет собой взорвавшийся белый карлик, который находился в двойной системе. Он постепенно захватывал вещество звезды-компаньона, и возрастающая масса спровоцировала термоядерный взрыв, разорвавший карлика.

Расстояние до Земли: 1250 световых лет.

Дата открытия: 1764 год.

Диаметр: 3000–4000 световых лет.

Протопланетарная туманность Бумеранг (NGC 40)

Вещество туманности всего на 1 градус теплее точки абсолютного нуля. Это одно из самых холодных мест во Вселенной. Центральная звезда туманности движется со скоростью 164 километра в секунду.

Расстояние до Земли: 5000 световых лет.

Дата открытия: 1980 год.

Температура: –272 °С.

Туманность Улитка (NGC 7293)

Зародилась благодаря окончанию жизненного цикла звезды главной последовательности, подобной Солнцу. От неё остался лишь белый карлик.

Расстояние до Земли: 650 световых лет.

Дата открытия: 1824 год.

Возраст: 10 600 лет.

Планетарная туманность М27 Гантель (NGC 6853)

В центре этой туманности, расположенной в созвездии Лисичка, находится самый большой белый карлик.

Расстояние до Земли: 1250 световых лет.

Дата открытия: 1764 год.

Возраст: 3000-4000 лет.

Совсем недавно такие сведения стали доступны, чем и воспользовались ­Пьер-Эммануэль Трамбле и его коллеги из Уорикского университета. В качестве источника первичных данных они взяли второй отчёт европейской космической обсерватории Gaia, обнародованный в 2018 году. Её аппаратура очень точно измеряет видимую яркость звёзд и определяет их годичные параллаксы, а следовательно, и расстояние до них. Были проанализированы сведения о светимости и массах 15 тысяч белых карликов, расположенных от нас в радиусе 100 парсек (320 световых лет). Учёные впервые получили возможность работать с действительно репрезентативной популяцией этих звёзд.

Результаты вполне оправдали ожидания. Сравнивая светимость и цветовые характеристики белых карликов, астрономы из группы Трамбле показали реальность именно такого остывания ядер, которое следует из модели кристаллизации. Они также показали, что кристаллизация наступает тем раньше, чем больше начальная масса карлика. Ядра самых массивных претерпевают это превращение где-то через миллиард лет после рождения. С карликами полегче (вроде того, в который когда-нибудь превратится Солнце) такая метаморфоза случается через пять-шесть миллиардов лет.

Однако это не всё. В конце 1980‑х — начале 1990‑х годов было предсказано, что охлаждение белого карлика с началом кристаллизации должно дополнительно замедлиться за счёт постепенного погружения в центр звезды ядер углерода и кислорода. В процессе этого погружения выделяется гравитационная энергия, которая переходит в тепло и препятствует остыванию; растёт отношение концентрации кислорода к концентрации углерода. Причина в том, что кислород кристаллизуется быстрее углерода и потому накапливается в самом центре карлика. Трамбле с коллегами нашёл подтверждение и этому прогнозу.

Журналисты нередко пишут, что ядро стареющего белого карлика превращается в алмаз. Конечно, это не так — хотя бы потому, что алмаз состоит из чистого углерода. Однако и без этого эволюция ядер белых карликов впечатляет. Жаль только, что экспедиция в их недра нам никак не светит.