A fehér törpe egy olyan csillag, amely meglehetősen gyakori az űrben. A tudósok a csillagok evolúciójának eredményének, a fejlődés végső szakaszának nevezik. Összességében két forgatókönyv létezik egy csillagtest módosulására, az egyik esetben a végső szakasz egy neutroncsillag, a másikban egy fekete lyuk. A törpék jelentik az utolsó evolúciós lépést. Bolygórendszerek vannak körülöttük. A tudósok ezt fémmel dúsított példányok vizsgálatával tudták megállapítani.
Háttér
A fehér törpék olyan csillagok, amelyek 1919-ben felkeltették a csillagászok figyelmét. Először fedezett fel ilyen égitestet egy holland tudós, Maanen. A szakember a maga idejében meglehetősen atipikus és váratlan felfedezést tett. A törpe, akit látott, úgy nézett ki, mint egy csillag, de nem szabványos kis méretei voltak. A spektrum azonban olyan volt, mintha egy hatalmas és nagy égitest volna.
Egy furcsa jelenség okai már jó ideje vonzzák a tudósokat, ezért sok erőfeszítést tettek a fehér törpék szerkezetének tanulmányozására. Az áttörést akkor érték el, amikor kifejezték és bebizonyították azt a feltételezést, hogy egy égitest légkörében rengeteg különféle fémszerkezet található.
Tisztázni kell, hogy a fémek az asztrofizikában mindenféle elem, amelyek molekulái nehezebbek, mint a hidrogén, a hélium, és kémiai összetételük progresszívebb, mint e két vegyület. A hélium és a hidrogén, amint azt a tudósoknak sikerült megállapítaniuk, szélesebb körben elterjedtek univerzumunkban, mint bármely más anyag. Ez alapján úgy döntöttek, hogy minden mást fémnek nevezünk.
Témafejlesztés
Bár a Naptól nagyban eltérő fehér törpéket először a húszas években láttak, csak fél évszázaddal később fedezték fel az emberek, hogy a fémes szerkezetek jelenléte a csillagok légkörében nem tipikus jelenség. Mint kiderült, a légkörbe kerülve a két legelterjedtebb anyag, a nehezebb anyag mellett a mélyebb rétegekbe is kiszorulnak. A nehéz anyagoknak, amelyek a hélium és a hidrogén molekulái közé tartoznak, végül a csillag magjába kell költözniük.
E folyamatnak több oka is volt. A fehér törpe sugara kicsi, az ilyen csillagtestek nagyon kompaktak - nem véletlenül kapták a nevüket. Átlagosan a sugara a Földéhez hasonlítható, míg a súlya hasonló a bolygórendszerünket megvilágító csillag súlyához. Ez a méret- és tömegarány kivételesen nagy gravitációs felületi gyorsulást okoz. Következésképpen a nehézfémek lerakódása a hidrogén- és hélium légkörben csak néhány földi nappal azután következik be, hogy a molekula belép a teljes gázhalmazállapotú tömegbe.
Jellemzők és időtartam
Néha a fehér törpék jellemzőiolyanok, hogy a nehéz anyagok molekuláinak ülepedési folyamata hosszú ideig késleltethető. A legkedvezőbb lehetőségek a Földről érkező megfigyelő szempontjából a több millió, tízmillió évig tartó folyamatok. Az ilyen időtartamok azonban rendkívül rövidek magának a csillagtestnek az élettartamához képest.
A fehér törpe evolúciója olyan mértékű, hogy az ember által jelenleg megfigyelt képződmények többsége már több száz millió földi éves. Ha ezt összehasonlítjuk a fémek atommag általi leglassabb felszívódásának folyamatával, akkor a különbség több mint jelentős. Ezért egy bizonyos megfigyelhető csillag atmoszférájában a fém kimutatása lehetővé teszi számunkra, hogy bizonyossággal arra a következtetésre juthassunk, hogy a testnek kezdetben nem volt ilyen légköri összetétele, különben minden fémzárvány már régen eltűnt volna.
Elmélet és gyakorlat
A fent leírt megfigyelések, valamint a fehér törpékről, neutroncsillagokról és fekete lyukakról sok évtizeden át gyűjtött információk arra utalnak, hogy a légkör külső forrásokból kap fémzárványokat. A tudósok először úgy döntöttek, hogy ez a médium a csillagok között. Egy égitest áthalad az ilyen anyagon, felszívja felszínére a közeget, és ezáltal nehéz elemekkel gazdagítja a légkört. De a további megfigyelések azt mutatták, hogy egy ilyen elmélet tarthatatlan. A szakemberek pontosítása szerint, ha a légkör változása így történne, a törpe elsősorban kívülről kapná a hidrogént, mivel a csillagok közötti közeget nagyrészt a hidrogén, ill.hélium molekulák. A közegnek csak kis százaléka nehéz vegyületek.
Ha a fehér törpék, neutroncsillagok, fekete lyukak elsődleges megfigyeléseiből kidolgozott elmélet igazolná magát, a törpék a hidrogénből állnának a legkönnyebb elemként. Ez még héliumos égitestek létezését sem tenné lehetővé, mert a hélium nehezebb, ami azt jelenti, hogy a hidrogén akkréciója teljesen elrejti azt a külső szemlélő szeme elől. A héliumtörpék jelenléte alapján a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy a csillagközi közeg nem szolgálhat az egyetlen, sőt a fő fémforrásként a csillagtestek légkörében.
Hogy magyarázzam el?
A fekete lyukakat, a fehér törpéket kutató tudósok a múlt század 70-es éveiben arra a következtetésre jutottak, hogy a fémzárványok az üstökösök égitestek felszínére esésével magyarázhatók. Igaz, egy időben az ilyen ötletek túlságosan egzotikusnak számítottak, és nem kaptak támogatást. Ez nagyrészt annak volt köszönhető, hogy az emberek még nem tudtak más bolygórendszerek jelenlétéről – csak a mi „otthoni” Naprendszerünket ismerték.
A következő, a múlt század nyolcadik évtizedének végén jelentős előrelépés történt a fekete lyukak, a fehér törpék kutatásában. A tudósok különösen erős infravörös műszerek állnak rendelkezésükre a világűr mélységének megfigyelésére, amelyek lehetővé tették az infravörös sugárzás észlelését az egyik ismert fehér törpe csillagász körül. Ez pontosan a törpe körül derült ki, amelynek légköre fémet tartalmazottszerepeltetés.
Az infravörös sugárzás, amely lehetővé tette a fehér törpe hőmérsékletének becslését, azt is elmondta a tudósoknak, hogy a csillagtestet valamilyen anyag veszi körül, amely képes elnyelni a csillagsugárzást. Ezt az anyagot egy meghatározott hőmérsékleti szintre hevítik, ami alacsonyabb, mint egy csillagé. Ez lehetővé teszi az elnyelt energia fokozatos átirányítását. A sugárzás az infravörös tartományban történik.
A tudomány halad előre
A fehér törpe spektrumai a csillagászok világának fejlett elméinek vizsgálati tárgyává váltak. Mint kiderült, tőlük elég sok információt lehet kapni az égitestek jellemzőiről. Különösen érdekesek voltak a túlzott infravörös sugárzással rendelkező csillagtestek megfigyelései. Jelenleg körülbelül három tucat ilyen típusú rendszert sikerült azonosítani. Fő százalékos arányukat a legerősebb Spitzer-teleszkóppal tanulmányozták.
A tudósok az égitesteket megfigyelve azt találták, hogy a fehér törpék sűrűsége lényegesen kisebb, mint ez az óriásokra jellemző paraméter. Azt is megállapították, hogy a felesleges infravörös sugárzás egy adott anyag által alkotott korongok jelenlétének köszönhető, amelyek képesek elnyelni az energiasugárzást. Ez az, amely ekkor energiát sugároz, de más hullámhossz-tartományban.
A korongok kivételesen közel vannak, és bizonyos mértékig befolyásolják a fehér törpék tömegét (ami nem haladhatja meg a Chandrasekhar határértéket). A külső sugarat törmelékkorongnak nevezzük. Feltételezik, hogy valamilyen test elpusztulása során keletkezett. Átlagosan a sugár mérete a Napéhoz hasonlítható.
Ha odafigyelünk bolygórendszerünkre, világossá válik, hogy az "otthonhoz" viszonylag közel is hasonló példát figyelhetünk meg - ezek a Szaturnuszt körülvevő gyűrűk, amelyek mérete szintén összemérhető a kör sugarával. csillagunk. Idővel a tudósok rájöttek, hogy nem ez az egyetlen közös tulajdonság a törpékben és a Szaturnuszban. Például a bolygónak és a csillagoknak is nagyon vékony korongjai vannak, amelyek nem átlátszóak, amikor megpróbálnak átvilágítani a fényen.
Következtetések és az elmélet fejlődése
Mivel a fehér törpék gyűrűi hasonlóak a Szaturnuszt körülvevő gyűrűkhöz, lehetővé vált olyan új elméletek megfogalmazása, amelyek megmagyarázzák a fémek jelenlétét e csillagok légkörében. A csillagászok tudják, hogy a Szaturnusz körüli gyűrűk olyan testek árapály-zavarai következtében jönnek létre, amelyek elég közel vannak a bolygóhoz ahhoz, hogy a gravitációs tere befolyásolja őket. Ilyen helyzetben a külső test nem tudja fenntartani saját gravitációját, ami az integritás megsértéséhez vezet.
Körülbelül tizenöt évvel ezelőtt bemutattak egy új elméletet, amely hasonló módon magyarázta a fehér törpegyűrűk kialakulását. Feltételezték, hogy kezdetben a törpe egy csillag volt a bolygórendszer közepén. Az égitest idővel fejlődik, ami évmilliárdokat vesz igénybe, megduzzad, elveszti héját, és ez egy törpe kialakulását okozza, amely fokozatosan lehűl. A fehér törpék színét egyébként pontosan a hőmérsékletük magyarázza. Egyeseknél 200 000 K-ra becsülik.
A bolygórendszer egy ilyen evolúció során fennmaradhat, amia rendszer külső részének tágulása a csillag tömegének csökkenésével egyidejűleg. Ennek eredményeként egy nagy bolygórendszer jön létre. A bolygók, aszteroidák és sok más elem túléli az evolúciót.
Mi következik?
A rendszer előrehaladása instabilitásához vezethet. Ez a bolygót körülvevő tér kövekkel történő bombázásához vezet, és az aszteroidák részben kirepülnek a rendszerből. Egy részük azonban pályára áll, és előbb-utóbb a törpe nap sugarán belül találja magát. Ütközés nem fordul elő, de az árapály-erők a test integritásának megsértéséhez vezetnek. Az ilyen aszteroidák halmaza a Szaturnuszt körülvevő gyűrűkhöz hasonló alakot vesz fel. Így a csillag körül törmelékkorong képződik. A fehér törpe sűrűsége (kb. 10^7 g/cm3) és törmelékkorongja jelentősen eltér egymástól.
A leírt elmélet számos csillagászati jelenség meglehetősen teljes és logikus magyarázatává vált. Segítségével megérthető, hogy miért kompaktak a korongok, mert egy csillagot nem lehet egész létezése alatt körülvenni a Napéhoz hasonló sugarú koronggal, különben eleinte ilyen korongok lennének a testében.
A korongok kialakulásának és méretének elmagyarázásával érthető, honnan származik a sajátos fémellátás. A csillag felszínére kerülhet, fémmolekulákkal szennyezve a törpét. A leírt elmélet, anélkül, hogy ellentmondana a fehér törpék átlagos sűrűségének (10^7 g/cm3 nagyságrendű) mutatóinak, bizonyítja, miért figyelhetők meg fémek a csillagok légkörében, miért mérik a vegyszert.kompozíció az ember számára esetleg elérhető eszközökkel, és miért hasonlít az elemek eloszlása bolygónkra és más vizsgált objektumokra jellemzőhez.
Elméletek: van valami haszna?
A leírt gondolatot széles körben használták annak magyarázatára, hogy a csillagok héja miért szennyezett fémekkel, miért jelentek meg törmelékkorongok. Ráadásul ebből az következik, hogy a törpe körül bolygórendszer létezik. Ebben a következtetésben nincs sok meglepetés, mert az emberiség megállapította, hogy a legtöbb csillagnak saját bolygórendszere van. Ez jellemző mind a Naphoz hasonlókra, mind a méreteinél jóval nagyobbakra – azaz fehér törpék keletkeznek belőlük.
A témák nincsenek kimerítve
Még ha általánosan elfogadottnak és bizonyítottnak tekintjük is a fent leírt elméletet, néhány kérdés a csillagászok számára a mai napig nyitva marad. Külön érdekesség a korongok és az égitest felszíne közötti anyagátvitel sajátossága. Ahogy egyesek azt sugallják, ez a sugárzásnak köszönhető. Azok az elméletek, amelyek így írják le az anyagszállítást, a Poynting-Robertson-effektuson alapulnak. Ez a jelenség, amelynek hatására a részecskék lassan mozognak egy fiatal csillag körüli pályán, fokozatosan spirálozva a középpont felé, és eltűnnek egy égitestben. Ennek a hatásnak feltehetően a csillagokat körülvevő törmelékkorongokban kellene megnyilvánulnia, vagyis a korongokban jelen lévő molekulák előbb-utóbb a törpe kivételes közelébe kerülnek. Szilárd anyagokpárolgásnak vannak kitéve, gáz képződik – ilyeneket korongok formájában több megfigyelt törpe körül is feljegyeztek. Előbb-utóbb a gáz eléri a törpe felszínét, és ide szállítja a fémeket.
A feltárt tényeket a csillagászok úgy becsülik, hogy jelentős mértékben hozzájárulnak a tudományhoz, mivel a bolygók kialakulásának módját sejtetik. Ez azért fontos, mert a szakembereket vonzó kutatási objektumok gyakran nem állnak rendelkezésre. A Napnál nagyobb csillagok körül keringő bolygókat például rendkívül ritkán lehet tanulmányozni – ez túl nehéz a civilizációnk számára elérhető technikai szinten. Ehelyett az emberek tanulmányozhatták a bolygórendszereket a csillagok törpévé való átalakulása után. Ha sikerül ebbe az irányba fejlődnünk, minden bizonnyal lehetőség nyílik új adatok feltárására a bolygórendszerek jelenlétéről és sajátosságairól.
A fehér törpék, amelyek légkörében fémeket észleltek, lehetővé teszik számunkra, hogy képet kapjunk az üstökösök és más kozmikus testek kémiai összetételéről. Valójában a tudósoknak egyszerűen nincs más módjuk az összetétel értékelésére. Például az óriásbolygókat tanulmányozva csak a külső rétegről lehet képet alkotni, de a belső tartalomról nincs megbízható információ. Ez vonatkozik a mi "otthoni" rendszerünkre is, hiszen a kémiai összetételt csak attól az égitesttől lehet tanulmányozni, amely a Föld felszínére esett, vagy ahol a kutatóberendezést le lehetett helyezni.
Hogy megy?
Előbb-utóbb bolygórendszerünk egy fehér törpe "otthona" is lesz. Ahogy a tudósok mondják, a csillagmag rendelkezikkorlátozott mennyiségű anyag energiát nyerni, és előbb-utóbb a termonukleáris reakciók kimerülnek. A gáz térfogata csökken, sűrűsége köbcentiméterenként tonnára emelkedik, miközben a külső rétegekben a reakció még zajlik. A csillag kitágul, vörös óriássá válik, amelynek sugara a Napéval egyenlő csillagok százaihoz hasonlítható. Amikor a külső héj abbahagyja az "égést", 100 000 éven belül az anyag szétszóródása következik be a térben, ami ködképződéssel jár.
A csillag magja a héjtól megszabadulva csökkenti a hőmérsékletet, ami egy fehér törpe kialakulásához vezet. Valójában egy ilyen csillag egy nagy sűrűségű gáz. A tudományban a törpéket gyakran degenerált égitesteknek nevezik. Ha a csillagunkat összenyomnánk, és a sugara csak néhány ezer kilométer lenne, de a súlya teljesen megmaradna, akkor itt egy fehér törpe is helyet kapna.
Jellemzők és műszaki szempontok
A vizsgált kozmikus test típusa képes ragyogni, de ezt a folyamatot a termonukleáris reakciókon kívül más mechanizmusok magyarázzák. A ragyogást reziduálisnak nevezik, ezt a hőmérséklet csökkenésével magyarázzák. A törpét olyan anyag alkotja, amelynek ionjai néha 15 000 K-nél hidegebbek. Az elemekre jellemző az oszcilláló mozgás. Fokozatosan az égitest kristályossá válik, fénye gyengül, és a törpe barna színűvé válik.
A tudósok megállapították az ilyen égitestek tömegének korlátját – legfeljebb 1,4 a Nap tömegének, de legfeljebb ennél a határnál. Ha a tömeg meghaladja ezt a határt,a csillag nem létezhet. Ez egy összenyomott állapotban lévő anyag nyomásának köszönhető – ez kisebb, mint az anyagot összenyomó gravitációs vonzás. Nagyon erős kompresszió lép fel, ami neutronok megjelenéséhez vezet, az anyag neutronizálódik.
A tömörítési folyamat degenerációhoz vezethet. Ebben az esetben neutroncsillag keletkezik. A második lehetőség a folyamatos tömörítés, amely előbb-utóbb robbanáshoz vezet.
Általános paraméterek és szolgáltatások
Az égitestek figyelembe vett kategóriájának bolometrikus fényessége a Nap jellemzőihez viszonyítva kevesebb, mint körülbelül tízezerszerese. A törpe sugara kevesebb, mint százszorosa a Napénak, súlya pedig hasonló a bolygórendszerünk főcsillagának jellemzőjéhez. A törpe tömeghatárának meghatározásához a Chandrasekhar határértéket számították ki. Ha túllépi, a törpe egy másik égitestté fejlődik. A csillagok fotoszférája átlagosan sűrű anyagból áll, becslések szerint 105–109 g/cm3. A fő sorozathoz képest körülbelül egymilliószor sűrűbb.
Egyes csillagászok úgy vélik, hogy a galaxis összes csillagának csak 3%-a fehér törpe, és vannak, akik meg vannak győződve arról, hogy minden tizedik ebbe az osztályba tartozik. A becslések nagyon eltérőek az égitestek megfigyelésének nehézségeit illetően – távol vannak bolygónktól, és túl halványan világítanak.
Történetek és nevek
1785-ben egy test jelent meg a kettős csillagok listáján, amelyet Herschel is megfigyelt. A sztár a 40 Eridani B nevet kapta. Őt tartják az első embernek a fehér kategóriában.törpék. 1910-ben Russell észrevette, hogy ennek az égitestnek a fényereje rendkívül alacsony, bár a színhőmérséklet meglehetősen magas. Idővel úgy döntöttek, hogy az ebbe az osztályba tartozó égitesteket külön kategóriába kell sorolni.
1844-ben Bessel a Procyon B, Sirius B nyomon követésével nyert információkat tanulmányozva úgy döntött, hogy mindketten időről időre elmozdulnak egy egyenes vonalról, ami azt jelenti, hogy vannak közeli műholdak. Egy ilyen feltételezés valószínűtlennek tűnt a tudományos közösség számára, mivel műholdat nem lehetett látni, míg az eltérések csak egy égitesttel magyarázhatók, amelynek tömege kivételesen nagy (hasonlóan a Szíriuszhoz, Procyonhoz).
1962-ben Clark az akkori legnagyobb távcsővel dolgozva egy nagyon halvány égitestet azonosított a Szíriusz közelében. Ő volt az, akit Sirius B-nek hívtak, ugyanazt a műholdat, amelyet Bessel már jóval korábban javasolt. 1896-ban a vizsgálatok kimutatták, hogy a Procyonnak is volt műholdja – Procyon B-nek hívták. Ezért Bessel elképzelései teljes mértékben beigazolódtak.
