Beli patuljak je zvezda koja je prilično česta u našim prostorima. Naučnici to nazivaju rezultatom evolucije zvijezda, završnom fazom razvoja. Ukupno postoje dva scenarija za modifikaciju zvjezdanog tijela, u jednom slučaju završni stupanj je neutronska zvijezda, u drugom crna rupa. Patuljci su posljednji evolucijski korak. Oko sebe imaju planetarni sistem. Naučnici su to mogli utvrditi ispitivanjem uzoraka obogaćenih metalom.
Pozadina
Beli patuljci su zvezde koje su privukle pažnju astronoma 1919. Po prvi put, takvo nebesko telo je otkrio naučnik iz Holandije Maanen. Za svoje vrijeme, stručnjak je napravio prilično netipično i neočekivano otkriće. Patuljak koji je vidio izgledao je kao zvijezda, ali je imao nestandardne male veličine. Spektar je, međutim, bio kao da se radi o masivnom i velikom nebeskom tijelu.
Razlozi za ovako čudan fenomen već duže vreme privlače naučnike, pa je uloženo mnogo truda da se prouči struktura belih patuljaka. Proboj je napravljen kada su izrazili i dokazali pretpostavku o obilju raznih metalnih struktura u atmosferi nebeskog tijela.
Neophodno je pojasniti da su metali u astrofizici sve vrste elemenata, čiji su molekuli teži od vodonika, helijuma, a njihov hemijski sastav je progresivniji od ova dva jedinjenja. Helijum, vodonik, kako su naučnici uspeli da utvrde, rasprostranjeniji su u našem univerzumu od bilo koje druge supstance. Na osnovu toga odlučeno je da se sve ostalo označi kao metali.
Razvoj teme
Iako su bijeli patuljci po veličini veoma različiti od Sunca prvi put viđeni dvadesetih godina, tek pola vijeka kasnije ljudi su otkrili da prisustvo metalnih struktura u zvjezdanoj atmosferi nije tipičan fenomen. Kako se pokazalo, kada se uključe u atmosferu, pored dvije najčešće supstance, teže, ističu se u dublje slojeve. Teške supstance, koje se nalaze među molekulima helijuma, vodonika, moraju se na kraju preseliti u jezgro zvezde.
Postojalo je nekoliko razloga za ovaj proces. Radijus bijelog patuljka je mali, takva zvjezdana tijela su vrlo kompaktna - nije uzalud dobila ime. U proseku, poluprečnik je uporediv sa Zemljinim, dok je težina slična težini zvezde koja osvetljava naš planetarni sistem. Ovaj omjer dimenzija i težine uzrokuje izuzetno veliko gravitacijsko površinsko ubrzanje. Posljedično, taloženje teških metala u atmosferi vodika i helijuma događa se samo nekoliko zemaljskih dana nakon što molekul uđe u ukupnu plinovitu masu.
Karakteristike i trajanje
Ponekad karakteristike bijelih patuljakasu takvi da se proces taloženja molekula teških supstanci može odložiti na duže vrijeme. Najpovoljnije opcije, sa stanovišta posmatrača sa Zemlje, su procesi koji traju milione, desetine miliona godina. Ipak, takvi vremenski rasponi su izuzetno kratki u poređenju sa životnim vekom samog zvezdanog tela.
Evolucija bijelog patuljka je takva da je većina formacija koje čovjek u ovom trenutku promatra već nekoliko stotina miliona zemaljskih godina. Ako ovo uporedimo sa najsporijim procesom apsorpcije metala jezgrom, razlika je više nego značajna. Dakle, detekcija metala u atmosferi određene zvijezde koja se može uočiti omogućava nam da sa sigurnošću zaključimo da tijelo u početku nije imalo takav atmosferski sastav, inače bi svi metalni inkluziji odavno nestali.
Teorija i praksa
Gore opisana zapažanja, kao i informacije prikupljene tokom mnogih decenija o bijelim patuljcima, neutronskim zvijezdama, crnim rupama, sugeriraju da atmosfera prima metalne inkluzije iz vanjskih izvora. Naučnici su prvo odlučili da je ovo medij između zvijezda. Nebesko tijelo se kreće kroz takvu materiju, akreira medij na njenu površinu, obogaćujući tako atmosferu teškim elementima. Ali dalja zapažanja su pokazala da je takva teorija neodrživa. Kako su stručnjaci precizirali, ako bi se promjena atmosfere dogodila na ovaj način, patuljak bi uglavnom primao vodonik izvana, jer je medij između zvijezda formiran u svojoj masi vodonikom imolekule helijuma. Samo mali postotak medija su teška jedinjenja.
Ako bi se teorija formirana iz primarnih opažanja bijelih patuljaka, neutronskih zvijezda, crnih rupa opravdala, patuljci bi se sastojali od vodonika kao najlakšeg elementa. To ne bi dozvolilo postojanje čak ni helijumskih nebeskih tijela, jer je helijum teži, što znači da bi ga akrecija vodonika potpuno sakrila od oka vanjskog posmatrača. Na osnovu prisustva helijumskih patuljaka, naučnici su došli do zaključka da međuzvjezdani medij ne može poslužiti kao jedini, pa čak ni glavni izvor metala u atmosferi zvjezdanih tijela.
Kako objasniti?
Naučnici koji su proučavali crne rupe, bijele patuljke 70-ih godina prošlog stoljeća, sugerirali su da se metalne inkluzije mogu objasniti padom kometa na površinu nebeskog tijela. Istina, svojevremeno su se takve ideje smatrale previše egzotičnim i nisu dobile podršku. To je uglavnom bilo zbog činjenice da ljudi još nisu znali za prisustvo drugih planetarnih sistema - bio je poznat samo naš "kućni" solarni sistem.
Značajan iskorak u proučavanju crnih rupa, bijelih patuljaka, napravljen je krajem sljedeće, osme decenije prošlog stoljeća. Naučnici imaju na raspolaganju posebno moćne infracrvene instrumente za posmatranje svemirskih dubina, koji su omogućili detekciju infracrvenog zračenja oko jednog od poznatih astronoma bijelog patuljka. To je otkriveno upravo oko patuljka, čija je atmosfera sadržavala metaluključenje.
Infracrveno zračenje, koje je omogućilo procjenu temperature bijelog patuljka, također je reklo naučnicima da je zvjezdano tijelo okruženo nekom supstancom koja može apsorbirati zvjezdano zračenje. Ova supstanca se zagreva do određenog nivoa temperature, manjeg od one zvezde. Ovo vam omogućava da postepeno preusmjerite apsorbiranu energiju. Zračenje se javlja u infracrvenom opsegu.
Nauka ide naprijed
Spektri bijelog patuljka postali su predmet proučavanja naprednih umova svijeta astronoma. Kako se ispostavilo, od njih možete dobiti dosta informacija o karakteristikama nebeskih tijela. Od posebnog interesa bila su zapažanja zvjezdanih tijela sa viškom infracrvenog zračenja. Trenutno je moguće identifikovati oko tri desetine sistema ovog tipa. Njihov glavni procenat proučavan je pomoću najmoćnijeg Spitzer teleskopa.
Naučnici su, posmatrajući nebeska tela, otkrili da je gustina belih patuljaka znatno manja od ovog parametra, karakterističnog za divove. Također je utvrđeno da je višak infracrvenog zračenja posljedica prisutnosti diskova formiranih od specifične tvari koja može apsorbirati energetsko zračenje. To je ono što tada zrači energiju, ali u drugom opsegu talasnih dužina.
Diskovi su izuzetno blizu i utiču na masu bijelih patuljaka u određenoj mjeri (koja ne može premašiti Chandrasekhar granicu). Vanjski radijus se naziva detritni disk. Pretpostavlja se da je nastao prilikom uništenja nekog tijela. U prosjeku, radijus je uporediv po veličini sa Suncem.
Ako obratite pažnju na naš planetarni sistem, postaje jasno da relativno blizu "doma" možemo uočiti sličan primjer - ovo su prstenovi koji okružuju Saturn, čija je veličina također uporediva sa radijusom naša zvijezda. Vremenom su naučnici otkrili da ova karakteristika nije jedina zajednička patuljcima i Saturnu. Na primjer, i planeta i zvijezde imaju veoma tanke diskove, koji nisu transparentni kada pokušavaju da sijaju kroz svjetlost.
Zaključci i razvoj teorije
Pošto su prstenovi bijelih patuljaka uporedivi sa onima koji okružuju Saturn, postalo je moguće formulirati nove teorije koje objašnjavaju prisustvo metala u atmosferi ovih zvijezda. Astronomi znaju da su prstenovi oko Saturna formirani plimskim poremećajem nekih tijela koja su dovoljno blizu planete da na njih utiče njegovo gravitaciono polje. U takvoj situaciji vanjsko tijelo ne može održati vlastitu gravitaciju, što dovodi do narušavanja integriteta.
Prije petnaestak godina predstavljena je nova teorija koja je na sličan način objasnila formiranje prstenova bijelih patuljaka. Pretpostavljalo se da je u početku patuljak bio zvijezda u središtu planetarnog sistema. Nebesko tijelo evoluira tokom vremena, za što su potrebne milijarde godina, nabubri, izgubi ljusku i to uzrokuje stvaranje patuljka koji se postepeno hladi. Inače, boja bijelih patuljaka objašnjava se upravo njihovom temperaturom. Za neke se procjenjuje na 200.000 K.
Sistem planeta u toku takve evolucije može preživjeti, što dovodi doširenje vanjskog dijela sistema istovremeno sa smanjenjem mase zvijezde. Kao rezultat, formiran je veliki sistem planeta. Planete, asteroidi i mnogi drugi elementi preživljavaju evoluciju.
Šta je sljedeće?
Napredak sistema može dovesti do njegove nestabilnosti. To dovodi do bombardovanja prostora koji okružuje planetu kamenjem, a asteroidi djelimično izlete iz sistema. Neki od njih, međutim, kreću u orbite, prije ili kasnije se nađu unutar sunčevog radijusa patuljka. Ne dolazi do sudara, ali plimne sile dovode do narušavanja integriteta tijela. Skup takvih asteroida poprima oblik sličan prstenovima koji okružuju Saturn. Tako se oko zvijezde formira disk krhotina. Gustina bijelog patuljka (oko 10^7 g/cm3) i njegovog detritalnog diska se značajno razlikuju.
Opisana teorija je postala prilično potpuno i logično objašnjenje brojnih astronomskih fenomena. Kroz njega se može razumjeti zašto su diskovi kompaktni, jer zvijezda ne može biti okružena diskom poluprečnika koji je uporediv sa sunčevim tokom čitavog svog postojanja, inače bi takvi diskovi isprva bili unutar njenog tijela.
Objašnjavajući formiranje diskova i njihovu veličinu, može se razumjeti odakle dolazi neobična zaliha metala. Mogao bi završiti na površini zvijezde, kontaminirajući patuljka molekulima metala. Opisana teorija, ne protivreči otkrivenim pokazateljima prosječne gustine bijelih patuljaka (reda 10^7 g/cm3), dokazuje zašto se metali uočavaju u atmosferi zvijezda, zašto mjerenje hemikalijekompozicija na način koji je moguće dostupan čovjeku i zbog čega je distribucija elemenata slična onoj karakterističnoj za našu planetu i druge proučavane objekte.
Teorije: ima li koristi?
Opisana ideja je široko korištena kao osnova za objašnjenje zašto su školjke zvijezda zagađene metalima, zašto su se pojavili diskovi krhotina. Osim toga, iz njega slijedi da planetarni sistem postoji oko patuljka. Malo je iznenađenja u ovom zaključku, jer je čovječanstvo ustanovilo da većina zvijezda ima svoje vlastite sisteme planeta. To je karakteristično kako za one koji su slični Suncu, tako i za one koji su mnogo veći od njegovih dimenzija - naime, od njih se formiraju bijeli patuljci.
Teme nisu iscrpljene
Čak i ako smatramo da je gore opisana teorija općeprihvaćena i dokazana, neka pitanja za astronome ostaju otvorena do danas. Posebno je zanimljiva specifičnost prijenosa materije između diskova i površine nebeskog tijela. Kako neki sugeriraju, to je zbog radijacije. Teorije koje na ovaj način pozivaju da opisuju transport materije zasnivaju se na Poynting-Robertsonovom efektu. Ovaj fenomen, pod čijim se uticajem čestice polako kreću u orbiti oko mlade zvezde, postepeno spiralno kruže prema centru i nestaju u nebeskom telu. Pretpostavlja se da bi se ovaj efekat trebao manifestirati u diskovima krhotina koji okružuju zvijezde, odnosno da se molekuli prisutni u diskovima prije ili kasnije nađu u izuzetnoj blizini patuljka. Čvrste materijepodliježu isparavanju, nastaje plin - takav u obliku diskova zabilježen je oko nekoliko promatranih patuljaka. Prije ili kasnije, plin dospijeva na površinu patuljka, prenoseći metale ovdje.
Otkrivene činjenice astronomi procjenjuju kao značajan doprinos nauci, jer sugeriraju kako nastaju planete. Ovo je važno jer su objekti za istraživanje koji privlače stručnjake često nedostupni. Na primjer, planete koje se okreću oko zvijezda većih od Sunca izuzetno su rijetke za proučavanje - to je preteško na tehničkom nivou koji je dostupan našoj civilizaciji. Umjesto toga, ljudi su mogli proučavati planetarne sisteme nakon transformacije zvijezda u patuljke. Ako uspemo da se razvijamo u ovom pravcu, sigurno će biti moguće otkriti nove podatke o prisustvu planetarnih sistema i njihovim karakterističnim karakteristikama.
Beli patuljci, u čijoj atmosferi su otkriveni metali, omogućavaju nam da dobijemo predstavu o hemijskom sastavu kometa i drugih kosmičkih tela. Zapravo, naučnici jednostavno nemaju drugi način da procijene sastav. Na primjer, proučavajući džinovske planete, može se dobiti ideja samo o vanjskom sloju, ali nema pouzdanih informacija o unutrašnjem sadržaju. Ovo važi i za naš "kućni" sistem, jer se hemijski sastav može proučavati samo sa onog nebeskog tela koje je palo na površinu Zemlje ili gde je bilo moguće sletjeti istraživački aparat.
Kako ide?
Pre ili kasnije, naš planetarni sistem će takođe postati "dom" belog patuljka. Kako naučnici kažu, zvezdano jezgro imaograničena količina materije za dobijanje energije, i prije ili kasnije termonuklearne reakcije se iscrpe. Gas se smanjuje u volumenu, gustina raste do tone po kubnom centimetru, dok u vanjskim slojevima reakcija još uvijek teče. Zvijezda se širi, postajući crveni div, čiji je radijus uporediv sa stotinama zvijezda jednakih Suncu. Kada vanjska ljuska prestane da "gori", u roku od 100.000 godina dolazi do disperzije materije u svemiru, što je praćeno formiranjem magline.
Jezgro zvijezde, oslobođeno školjke, snižava temperaturu, što dovodi do formiranja bijelog patuljka. U stvari, takva zvijezda je plin visoke gustine. U nauci se patuljci često nazivaju degeneriranim nebeskim tijelima. Kada bi naša zvijezda bila komprimirana i njen radijus bi bio samo nekoliko hiljada kilometara, ali bi težina bila u potpunosti očuvana, tada bi se ovdje također smjestio bijeli patuljak.
Karakteristike i tehničke tačke
Tip kosmičkog tijela koji se razmatra je sposoban da svijetli, ali ovaj proces se objašnjava drugim mehanizmima osim termonuklearnim reakcijama. Sjaj se naziva rezidualnim, objašnjava se smanjenjem temperature. Patuljak je formiran od supstance čiji su joni ponekad hladniji od 15.000 K. Oscilatorna kretanja su karakteristična za elemente. Postepeno, nebesko tijelo postaje kristalno, njegov sjaj slabi, a patuljak evoluira u braon.
Naučnici su identifikovali granicu mase za takvo nebesko telo - do 1,4 težine Sunca, ali ne više od ove granice. Ako masa prelazi ovu granicu,zvezda ne može postojati. To je zbog pritiska tvari u komprimiranom stanju - to je manje od gravitacijske privlačnosti koja komprimira tvar. Postoji veoma jaka kompresija, što dovodi do pojave neutrona, supstanca je neutronizovana.
Proces kompresije može dovesti do degeneracije. U tom slučaju nastaje neutronska zvijezda. Druga opcija je kontinuirana kompresija, koja prije ili kasnije dovodi do eksplozije.
Opći parametri i karakteristike
Bolometrijski luminozitet razmatrane kategorije nebeskih tijela u odnosu na karakteristike Sunca manji je od oko deset hiljada puta. Poluprečnik patuljka manji je od stotinu puta veći od sunca, dok je težina uporediva sa onom karakteristikom glavne zvezde našeg planetarnog sistema. Da bi se odredila granica mase za patuljka, izračunata je Chandrasekharova granica. Kada se prekorači, patuljak evoluira u drugi oblik nebeskog tijela. Fotosfera zvijezde se u prosjeku sastoji od guste materije, procijenjene na 105–109 g/cm3. U poređenju sa glavnom sekvencom, ona je oko milion puta gušća.
Neki astronomi vjeruju da su samo 3% svih zvijezda u galaksiji bijeli patuljci, a neki su uvjereni da svaka deseta pripada ovoj klasi. Procjene se toliko razlikuju o razlozima poteškoća u promatranju nebeskih tijela - ona su daleko od naše planete i svijetle suviše slabo.
Priče i imena
1785. godine, tijelo se pojavilo na listi dvostrukih zvijezda, koje je Herschel promatrao. Zvijezda je dobila ime 40 Eridani B. Upravo se ona smatra prvom viđenom osobom iz bijele kategorije.patuljci. Godine 1910. Russell je primijetio da ovo nebesko tijelo ima izuzetno nizak nivo sjaja, iako je temperatura boje prilično visoka. Vremenom je odlučeno da se nebeska tijela ove klase odvoje u posebnu kategoriju.
Godine 1844, Bessel je, proučavajući informacije dobijene praćenjem Prociona B, Sirijusa B, odlučio da se obojica s vremena na vreme pomeraju sa prave linije, što znači da postoje bliski sateliti. Naučnoj zajednici se takva pretpostavka činila malo vjerojatnom, budući da se nije mogao vidjeti satelit, dok se odstupanja mogu objasniti samo nebeskim tijelom čija je masa izuzetno velika (slično Sirijusu, Prokionu).
Godine 1962, Clark je, radeći sa najvećim teleskopom koji je postojao u to vrijeme, identifikovao veoma nejasno nebesko tijelo u blizini Sirijusa. On se zvao Sirijus B, isti satelit koji je Besel predložio mnogo ranije. Godine 1896. studije su pokazale da je Procion imao i satelit - zvao se Procion B. Stoga su Beselove ideje u potpunosti potvrđene.
