Bijeli patuljak je zvijezda koja je prilično česta u našim prostorima. Znanstvenici 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 planetarne sustave. Znanstvenici su to uspjeli utvrditi ispitivanjem uzoraka obogaćenih metalom.
Pozadina
Bijeli patuljci su zvijezde koje su privukle pažnju astronoma 1919. godine. Prvi put takvo nebesko tijelo otkrio je nizozemski znanstvenik Maanen. Za svoje vrijeme, stručnjak je napravio prilično netipično i neočekivano otkriće. Patuljak kojeg je vidio izgledao je poput zvijezde, ali je imao nestandardne male veličine. Spektar je, međutim, bio kao da se radi o masivnom i velikom nebeskom tijelu.
Razlozi za tako čudan fenomen već duže vrijeme privlače znanstvenike, pa je uloženo mnogo truda u proučavanje strukture bijelih 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, čije su molekule teže od vodika, helija, a njihov kemijski sastav je progresivniji od ova dva spoja. Helij, vodik, kako su znanstvenici uspjeli ustanoviti, rasprostranjeniji su u našem svemiru od bilo koje druge tvari. Na temelju toga odlučeno je da se sve ostalo označi metalima.
Razvoj teme
Iako su bijeli patuljci po veličini vrlo različiti od Sunca prvi put viđeni dvadesetih godina, tek pola stoljeća kasnije ljudi su otkrili da prisutnost metalnih struktura u zvjezdanoj atmosferi nije tipičan fenomen. Kako se pokazalo, kada se uključe u atmosferu, osim dvije najčešće tvari, teže, ističu se u dublje slojeve. Teške tvari, koje se nalaze među molekulama helija, vodika, moraju se na kraju preseliti u jezgro zvijezde.
Postojalo je nekoliko razloga za ovaj proces. Polumjer bijelog patuljka je mali, takva su zvjezdana tijela vrlo kompaktna - nije uzalud dobila ime. U prosjeku, polumjer je usporediv sa Zemljinim, dok je težina slična težini zvijezde koja osvjetljava naš planetarni sustav. Ovaj omjer dimenzija i težine uzrokuje iznimno veliko gravitacijsko površinsko ubrzanje. Posljedično, taloženje teških metala u atmosferi vodika i helija događa se samo nekoliko zemaljskih dana nakon što molekula uđe u ukupnu plinovitu masu.
Značajke i trajanje
Ponekad karakteristike bijelih patuljakasu takvi da se proces sedimentacije molekula teških tvari može dugo odgoditi. Najpovoljnije opcije, sa stajališta promatrača sa Zemlje, su procesi koji traju milijune, desetke milijuna godina. Ipak, takvi su vremenski rasponi iznimno kratki u usporedbi s životnim vijekom samog zvjezdanog tijela.
Evolucija bijelog patuljka je takva da je većina formacija koje čovjek u ovom trenutku promatra već nekoliko stotina milijuna zemaljskih godina. Usporedimo li to s najsporijim procesom apsorpcije metala u jezgri, razlika je više nego značajna. Dakle, detekcija metala u atmosferi određene zvijezde koja se može promatrati omogućuje nam da sa sigurnošću zaključimo da tijelo u početku nije imalo takav atmosferski sastav, inače bi svi metalni uključci davno nestali.
Teorija i praksa
Gore opisana opažanja, kao i informacije prikupljene tijekom mnogih desetljeća o bijelim patuljcima, neutronskim zvijezdama, crnim rupama, sugeriraju da atmosfera prima metalne inkluzije iz vanjskih izvora. Znanstvenici su prvo odlučili da je to medij između zvijezda. Nebesko tijelo se kreće kroz takvu tvar, akreira medij na svoju površinu, obogaćujući tako atmosferu teškim elementima. No daljnja su promatranja pokazala da je takva teorija neodrživa. Kako su precizirali stručnjaci, ako bi se promjena u atmosferi dogodila na ovaj način, patuljak bi uglavnom primao vodik izvana, budući da je medij između zvijezda u svojoj masi formiran od vodika imolekule helija. Samo mali postotak medija su teški spojevi.
Ako bi teorija nastala iz primarnih promatranja bijelih patuljaka, neutronskih zvijezda, crnih rupa opravdala sebe, patuljci bi se sastojali od vodika kao najlakšeg elementa. To ne bi dopuštalo postojanje čak ni helijevih nebeskih tijela, jer je helij teži, što znači da bi ga nakupljanje vodika potpuno sakrilo od oka vanjskog promatrača. Na temelju prisutnosti helijevih patuljaka, znanstvenici su došli do zaključka da međuzvjezdani medij ne može poslužiti kao jedini, pa čak ni glavni izvor metala u atmosferi zvjezdanih tijela.
Kako objasniti?
Znanstvenici 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, svojedobno su se takve ideje smatrale previše egzotičnim i nisu dobile podršku. To je uglavnom bilo zbog činjenice da ljudi još nisu znali za prisutnost drugih planetarnih sustava - bio je poznat samo naš "kućni" Sunčev sustav.
Značajan iskorak u proučavanju crnih rupa, bijelih patuljaka, napravljen je krajem sljedećeg, osmog desetljeća prošlog stoljeća. Znanstvenici imaju na raspolaganju posebno moćne infracrvene instrumente za promatranje svemirskih dubina, koji su omogućili detekciju infracrvenog zračenja oko jednog od poznatih astronoma bijelog patuljka. To se otkrilo upravo oko patuljka, čija je atmosfera sadržavala metaluključivanje.
Infracrveno zračenje, koje je omogućilo procjenu temperature bijelog patuljka, također je reklo znanstvenicima da je zvjezdano tijelo okruženo nekom tvari koja može apsorbirati zvjezdano zračenje. Ova tvar se zagrijava na određenu temperaturnu razinu, nižu od one zvijezde. To vam omogućuje postupno preusmjeravanje apsorbirane energije. Zračenje se javlja u infracrvenom području.
Znanost ide naprijed
Spektri bijelog patuljka postali su predmet proučavanja naprednih umova svijeta astronoma. Kako se pokazalo, od njih možete dobiti dosta informacija o značajkama nebeskih tijela. Posebno su zanimljiva bila promatranja zvjezdanih tijela s viškom infracrvenog zračenja. Trenutačno je moguće identificirati oko tri desetke sustava ovog tipa. Njihov glavni postotak proučavan je pomoću najmoćnijeg teleskopa Spitzer.
Znanstvenici su, promatrajući nebeska tijela, otkrili da je gustoća bijelih 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 rasponu valnih duljina.
Diskovi su iznimno blizu i utječu na masu bijelih patuljaka u određenoj mjeri (koja ne može prijeći Chandrasekharovu granicu). Vanjski radijus naziva se detritni disk. Pretpostavlja se da je nastao tijekom uništenja nekog tijela. U prosjeku, radijus je usporediv po veličini sa Suncem.
Ako obratite pozornost na naš planetarni sustav, postaje jasno da relativno blizu "doma" možemo promatrati sličan primjer - to su prstenovi koji okružuju Saturn, čija je veličina također usporediva s polumjerom naša zvijezda. S vremenom su znanstvenici otkrili da ova značajka nije jedina zajednička patuljcima i Saturnu. Na primjer, i planet i zvijezde imaju vrlo tanke diskove, koji nisu prozirni kada pokušavaju zasjati kroz svjetlost.
Zaključci i razvoj teorije
Budući da su prstenovi bijelih patuljaka usporedivi s onima koji okružuju Saturn, postalo je moguće formulirati nove teorije koje objašnjavaju prisutnost metala u atmosferi ovih zvijezda. Astronomi znaju da su prstenovi oko Saturna nastali plimnim poremećajem nekih tijela koja su dovoljno blizu planeta da na njih utječe njegovo gravitacijsko 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 stvaranje prstenova bijelih patuljaka. Pretpostavljalo se da je u početku patuljak bio zvijezda u središtu planetarnog sustava. Nebesko tijelo s vremenom evoluira, za što su potrebne milijarde godina, nabubri, izgubi ljusku, a to uzrokuje stvaranje patuljka koji se postupno hladi. Inače, boja bijelih patuljaka objašnjava se upravo njihovom temperaturom. Za neke se procjenjuje na 200.000 K.
Sustav planeta u toku takve evolucije može preživjeti, što dovodi doširenje vanjskog dijela sustava istodobno sa smanjenjem mase zvijezde. Kao rezultat toga nastaje veliki sustav planeta. Planeti, asteroidi i mnogi drugi elementi preživljavaju evoluciju.
Što je sljedeće?
Napredak sustava može dovesti do njegove nestabilnosti. To dovodi do bombardiranja prostora koji okružuje planet kamenjem, a asteroidi djelomično izlete iz sustava. Neki od njih, međutim, kreću u orbite, prije ili kasnije nađu se unutar sunčevog radijusa patuljka. Ne dolazi do sudara, ali plimne sile dovode do kršenja integriteta tijela. Skupina takvih asteroida poprima oblik sličan prstenovima koji okružuju Saturn. Tako se oko zvijezde formira disk krhotina. Gustoća bijelog patuljka (oko 10^7 g/cm3) i njegovog detritalnog diska značajno se razlikuju.
Opisana teorija postala je prilično cjelovito i logično objašnjenje niza astronomskih fenomena. Kroz njega se može razumjeti zašto su diskovi kompaktni, jer zvijezda ne može biti okružena diskom radijusa usporedivog sa sunčevim tijekom cijelog 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 metalnim molekulama. Opisana teorija, ne proturječi otkrivenim pokazateljima prosječne gustoće bijelih patuljaka (reda 10^7 g/cm3), dokazuje zašto se metali promatraju u atmosferi zvijezda, zašto mjerenje kemijskesastav na način koji je moguće dostupan čovjeku i zbog čega je raspodjela elemenata slična onoj karakteristici našeg planeta i drugih proučavanih objekata.
Teorije: ima li koristi?
Opisana ideja naširoko je korištena kao osnova za objašnjenje zašto su školjke zvijezda onečišćene metalima, zašto su se pojavili diskovi krhotina. Osim toga, iz njega proizlazi da oko patuljka postoji planetarni sustav. Malo je iznenađenja u ovom zaključku, jer je čovječanstvo ustanovilo da većina zvijezda ima svoje sustave 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 nastaju 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 tvari između diskova i površine nebeskog tijela. Kao što neki sugeriraju, to je zbog zračenja. Teorije koje na ovaj način pozivaju da opisuju transport materije temelje se na Poynting-Robertsonovom efektu. Ovaj fenomen, pod čijim se utjecajem čestice polagano kreću u orbiti oko mlade zvijezde, postupno spiralno kruže prema središtu i nestaju u nebeskom tijelu. Vjerojatno bi se ovaj učinak trebao očitovati u diskovima krhotina koji okružuju zvijezde, odnosno da se molekule koje su prisutne u diskovima prije ili kasnije nađu u iznimnoj blizini patuljka. Čvrste tvaripodliježu isparavanju, nastaje plin - takav je u obliku diskova zabilježen oko nekoliko promatranih patuljaka. Prije ili kasnije, plin dospijeva na površinu patuljka, transportirajući metale ovamo.
Otkrivene činjenice astronomi procjenjuju kao značajan doprinos znanosti, jer sugeriraju kako nastaju planeti. To je važno jer su objekti za istraživanje koji privlače stručnjake često nedostupni. Primjerice, planete koji se okreću oko zvijezda većih od Sunca iznimno je rijetko proučavati – to je preteško na tehničkoj razini koja je dostupna našoj civilizaciji. Umjesto toga, ljudi su mogli proučavati planetarne sustave nakon transformacije zvijezda u patuljke. Ako se uspijemo razvijati u tom smjeru, sigurno će biti moguće otkriti nove podatke o prisutnosti planetarnih sustava i njihovim karakterističnim karakteristikama.
Bijeli patuljci, u čijoj atmosferi su otkriveni metali, omogućuju nam da dobijemo ideju o kemijskom sastavu kometa i drugih kozmičkih tijela. Zapravo, znanstvenici jednostavno nemaju drugi način za procjenu sastava. Na primjer, proučavajući divovske planete, može se dobiti predodžbu samo o vanjskom sloju, ali nema pouzdanih podataka o unutarnjem sadržaju. To vrijedi i za naš "kućni" sustav, budući da se kemijski sastav može proučavati samo s onog nebeskog tijela koje je palo na površinu Zemlje ili gdje je bilo moguće sletjeti istraživački aparat.
Kako ide?
Prije ili kasnije, naš planetarni sustav će također postati "dom" bijelog patuljka. Kako kažu znanstvenici, zvjezdana jezgra imaograničena količina tvari za dobivanje energije, a prije ili kasnije termonuklearne reakcije se iscrpe. Plin se smanjuje u volumenu, gustoća raste do tone po kubičnom centimetru, dok u vanjskim slojevima reakcija još uvijek teče. Zvijezda se širi, postajući crveni div, čiji je polumjer usporediv sa stotinama zvijezda jednakih Suncu. Kada vanjska ljuska prestane "gorjeti", unutar 100.000 godina dolazi do raspršivanja materije u prostoru, što je popraćeno stvaranjem maglice.
Jezgra zvijezde, oslobođena ljuske, snižava temperaturu, što dovodi do stvaranja bijelog patuljka. Zapravo, takva zvijezda je plin visoke gustoće. U znanosti se patuljci često nazivaju degeneriranim nebeskim tijelima. Kada bi se naša zvijezda stisnula i radijus bi joj bio samo nekoliko tisuća kilometara, ali bi težina bila u potpunosti sačuvana, tada bi se ovdje također smjestio bijeli patuljak.
Značajke i tehničke točke
Tip kozmičkog tijela koji se razmatra je sposoban svijetliti, ali se ovaj proces objašnjava drugim mehanizmima osim termonuklearnim reakcijama. Sjaj se naziva rezidualnim, objašnjava se smanjenjem temperature. Patuljak tvori tvar čiji su ioni ponekad hladniji od 15 000 K. Oscilatorna kretanja karakteristična su za elemente. Postupno, nebesko tijelo postaje kristalno, njegov sjaj slabi, a patuljak evoluira u smeđu.
Znanstvenici su identificirali granicu mase za takvo nebesko tijelo - do 1,4 težine Sunca, ali ne više od ove granice. Ako masa prelazi ovu granicu,zvijezda ne može postojati. To je zbog pritiska tvari u komprimiranom stanju – to je manje od gravitacijske privlačnosti koja komprimira tvar. Postoji vrlo jaka kompresija, što dovodi do pojave neutrona, tvar je neutronizirana.
Proces kompresije može dovesti do degeneracije. U tom slučaju nastaje neutronska zvijezda. Druga opcija je nastavak kompresije, što prije ili kasnije dovodi do eksplozije.
Opći parametri i značajke
Bolometrijska svjetlina razmatrane kategorije nebeskih tijela u odnosu na karakteristike Sunca manja je od oko deset tisuća puta. Polumjer patuljka manji je od stotinu puta veći od sunca, dok je težina usporediva s onom karakteristikom glavne zvijezde našeg planetarnog sustava. Da bi se odredila granica mase za patuljka, izračunata je granica Chandrasekhara. Kada se on prekorači, patuljak evoluira u drugi oblik nebeskog tijela. Fotosfera zvijezde u prosjeku se sastoji od guste tvari, procijenjene na 105–109 g/cm3. U usporedbi s glavnim nizom, on je oko milijun puta gušći.
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 jako razlikuju o razlozima poteškoća u promatranju nebeskih tijela - ona su daleko od našeg planeta i svijetle suviše slabo.
Priče i imena
Godine 1785. tijelo se pojavilo na popisu 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 nisku razinu svjetline, iako je temperatura boje prilično visoka. S vremenom je odlučeno da se nebeska tijela ove klase odvoje u posebnu kategoriju.
Godine 1844. Bessel je, proučavajući informacije dobivene praćenjem Prociona B, Siriusa B, odlučio da se obojica s vremena na vrijeme pomiču s ravne linije, što znači da postoje bliski sateliti. Znanstvenoj zajednici takva se pretpostavka činila malo vjerojatnom, budući da se nije mogao vidjeti nikakav satelit, dok se odstupanja mogla objasniti samo nebeskim tijelom čija je masa iznimno velika (slično Sirijusu, Procionu).
Godine 1962. Clark je, radeći s najvećim teleskopom koji je postojao u to vrijeme, identificirao vrlo nejasno nebesko tijelo u blizini Siriusa. Upravo se on zvao Sirius B, isti satelit koji je Bessel predložio davno prije. Godine 1896. studije su pokazale da Procyon ima i satelit - zvao se Procyon B. Stoga su Besselove ideje u potpunosti potvrđene.
