Белые карлики¶

Белый карлик — это компактная звезда, состоящая из вырожденного электронного газа, представляющая собой финальную стадию эволюции звёзд малой и средней массы (от 0,8 до 8–10 масс Солнца). Белые карлики лишены собственных источников термоядерной энергии и светятся за счёт медленного остывания. Их масса ограничена пределом Чандрасекара (около 1,44 массы Солнца), а радиус составляет порядка 0,01–0,02 радиуса Солнца (сравним с радиусом Земли). Плотность вещества в белых карликах достигает 10⁶–10⁹ г/см³.

¶История открытия и изучения

Первым открытым белым карликом стала звезда Сириус B — спутник Сириуса A. В 1844 году немецкий астроном Фридрих Бессель, анализируя периодические отклонения в движении Сириуса, предсказал существование невидимого компаньона. В 1862 году американский оптик Алван Грэм Кларк при испытании нового телескопа обнаружил этот спутник. Однако природа объекта оставалась неясной до начала XX века.

В 1910 году американский астроном Генри Норрис Расселл, изучая спектры звёзд, обратил внимание на то, что слабая звезда 40 Эридана B имеет спектр класса A (горячая звезда) при очень низкой светимости. Это противоречило стандартной модели звёздной эволюции. В 1914 году датский астроном Эйнар Герцшпрунг ввёл термин «белый карлик» для обозначения таких объектов.

В 1926 году британский физик Ральф Фаулер объяснил структуру белых карликов, применив квантово-механическую теорию вырожденного газа. Он показал, что гравитационному сжатию противостоит давление вырожденных электронов (принцип Паули). В 1930 году индийский физик Субраманьян Чандрасекар вывел предел массы для белых карликов, за который в 1983 году получил Нобелевскую премию по физике.

¶Физическая природа и строение

¶Состав и структура

Белый карлик представляет собой звезду, в которой прекратились термоядерные реакции. Внутреннее строение состоит из нескольких слоёв:

• Ядро — состоит из вырожденного электронного газа и ионов углерода и кислорода (для звёзд с начальной массой до 8–10 M☉) или гелия, кислорода, неона (для более массивных предшественников). Ядро занимает почти весь объём звезды.
• Атмосфера — тонкий слой (толщиной порядка 1–10 км) из обычного (невырожденного) газа, состоящего в основном из водорода или гелия. В зависимости от состава атмосферы белые карлики делятся на спектральные классы DA (водородные линии) и DB (гелиевые линии).

¶Давление вырождения

В белых карликах гравитационному сжатию противостоит давление вырожденных электронов. При сверхвысоких плотностях электроны не могут занимать одинаковые квантовые состояния (принцип запрета Паули), что создаёт дополнительное давление, не зависящее от температуры. Это давление подчиняется уравнению состояния вырожденного газа.

¶Предел Чандрасекара

Максимальная масса белого карлика, при которой давление вырожденных электронов может уравновесить гравитацию, составляет около 1,44 M☉. Если масса превышает этот предел, звезда коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду или чёрную дыру. Этот предел является критическим для понимания эволюции двойных систем и сверхновых типа Ia.

¶Эволюция и образование

¶Путь от звезды к белому карлику

Звёзды с массой от 0,8 до 8–10 M☉ в конце своей жизни проходят следующие стадии:

1. Главная последовательность — термоядерное горение водорода в гелий.
2. Стадия красного гиганта — исчерпание водорода в ядре, расширение внешних оболочек, горение гелия.
3. Планетарная туманность — сброс внешних оболочек, которые образуют расширяющуюся газовую оболочку.
4. Белый карлик — оставшееся ядро звезды, состоящее из углерода и кислорода, которое медленно остывает.

¶Остывание и кристаллизация

После образования белый карлик постепенно остывает. Вначале температура его поверхности может достигать 100 000 К, но со временем она падает. Процесс остывания длится миллиарды лет. При температурах ниже 10 000 К вещество в ядре начинает кристаллизоваться — образуется решётка из ионов углерода и кислорода, погружённая в вырожденный электронный газ. Конечная стадия — чёрный карлик (гипотетический объект, полностью остывший до температуры фона), но возраст Вселенной (около 13,8 млрд лет) недостаточен для образования таких объектов.

¶Классификация

¶По спектральным классам

Белые карлики классифицируются по наличию и интенсивности линий поглощения в спектре:

• DA — сильные линии водорода (около 80% всех белых карликов).
• DB — линии гелия (около 10%).
• DC — непрерывный спектр без заметных линий.
• DQ — линии углерода.
• DZ — линии металлов (кальций, магний, железо).
• DX — неопределённый спектр.

¶По типу пульсаций

Некоторые белые карлики проявляют пульсации (изменение яркости) с периодами от нескольких минут до часов. Выделяют:

• ZZ Кита (DAV) — пульсирующие водородные белые карлики.
• V777 Геркулеса (DBV) — пульсирующие гелиевые белые карлики.
• GW Девы (DOV) — горячие пульсирующие белые карлики.

¶Примеры известных белых карликов

• Сириус B — ближайший белый карлик (расстояние 8,6 световых лет), масса 1,02 M☉, температура 25 000 К.
• 40 Эридана B — первый открытый белый карлик, масса 0,5 M☉, температура 16 000 К.
• Ван Маанена — ближайший одиночный белый карлик (14 световых лет), масса 0,7 M☉.
• GD 358 — пульсирующий белый карлик типа DBV, период пульсаций около 8 минут.
• PSR J0348+0432 — белый карлик в двойной системе с пульсаром, масса 0,17 M☉ (один из самых лёгких известных).

¶Значение в астрофизике

¶Индикаторы возраста звёздных систем

Поскольку белые карлики остывают с предсказуемой скоростью, их температура и светимость используются для определения возраста звёздных скоплений. Самые старые белые карлики в шаровых скоплениях имеют возраст около 10–12 млрд лет, что позволяет оценить возраст Вселенной.

¶Сверхновые типа Ia

В двойных системах белый карлик может аккрецировать вещество со звезды-компаньона. Если его масса достигает предела Чандрасекара, происходит термоядерный взрыв углерода — сверхновая типа Ia. Такие сверхновые используются как «стандартные свечи» для измерения расстояний во Вселенной.

¶Гравитационные волны

Двойные системы, содержащие белые карлики, являются источниками гравитационных волн. В частности, система из двух белых карликов с периодом обращения менее 10 минут будет излучать гравитационные волны, которые могут быть зарегистрированы космическими детекторами (например, LISA).

¶Интересные факты

• Белые карлики имеют чрезвычайно высокую поверхностную гравитацию — ускорение свободного падения на их поверхности в 100 000 раз больше земного.
• Вещество белого карлика находится в состоянии, близком к идеальному вырожденному газу. При комнатной температуре такое вещество оставалось бы жидким или твёрдым из-за высокого давления.
• В 2023 году астрономы обнаружили белый карлик с массой 0,33 M☉, который вращается вокруг чёрной дыры в двойной системе — это первое подтверждение такой конфигурации.
• Самый горячий известный белый карлик — KPD 0005+5106 с температурой поверхности около 200 000 К.

¶Источники

• Чандрасекар С. «Введение в учение о строении звёзд». — М.: Иностранная литература, 1950.
• Киппенхан Р. «100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звёзд». — М.: Мир, 1990.
• Шкловский И. С. «Звёзды: их рождение, жизнь и смерть». — М.: Наука, 1984.
• Liebert J., Bergeron P., Holberg J. B. «The Formation and Evolution of White Dwarfs» // Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2005.
• Hansen B. M. S., Liebert J. «White Dwarfs» // Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics, 2001.