Λευκοί νάνοι αστέρια, οι διάφορες μορφές και η αξία τους στην επιστήμη

Μην κρίνετε έναν λευκό νάνο από το μέγεθός του

Όταν ο Ήλιος μας μεγαλώσει και το μέγεθός του πέσει, θα σχηματίσει ένα μικρό αστέρι νάνος, το τελικό στάδιο των αστεριών που μοιάζουν με τον ήλιο. Μην κρίνετε όμως ένα αστέρι νάνου από το μέγεθός του!

# 1: Τα λευκά νάνοι αστέρια είναι το μέγεθος της Γης, αλλά έχουν τη μάζα ενός Ήλιου

Ένας από τους πρώτους λευκούς νάνους που βρέθηκαν, ο Σείριος Β είναι απλώς το μέγεθος της Γης, καθιστώντας το αρκετά μικρό για ένα αστέρι.

Λευκό νάνος αστέρι Sirius B σε σύγκριση με τη Γη. Πηγή: ESA

Και όμως καταφέρνει να σπάσει περίπου την ίδια μάζα με τον Ήλιο μας, καθιστώντας την πολύ πιο πυκνή. Το ισχυρό βαρυτικό πεδίο του Sirius B είναι 350.000 φορές μεγαλύτερο από τη Γη, πράγμα που σημαίνει ότι ένα άτομο 68 κιλών θα ζύγιζε 25 εκατομμύρια κιλά στην επιφάνειά του!

Αυτή η υψηλή πυκνότητα θεωρήθηκε αδύνατη από την επιστημονική κοινότητα πριν από έναν αιώνα, παραφρασμένη ωραία από τον Arthur Eddington, μετά την ανακάλυψη ενός τόσο λευκού νάνου:

Μαθαίνουμε για τα αστέρια λαμβάνοντας και ερμηνεύοντας τα μηνύματα που μας φέρνει το φως. Το μήνυμα του Συντρόφου του Σείριου όταν αποκωδικοποιήθηκε έτρεξε: «Είμαι από υλικό 3.000 φορές πυκνότερο από οτιδήποτε συναντήσατε ποτέ. ένας τόνος του υλικού μου θα ήταν λίγο ψήγμα που θα μπορούσατε να βάλετε σε ένα κουτί. " Τι απάντηση μπορεί να κάνει κάποιος σε ένα τέτοιο μήνυμα; Η απάντηση που έκαναν οι περισσότεροι από εμάς το 1914 ήταν - «Σκάσε. Μην μιλάς ανοησίες. "

# 2: Όσο πιο μαζικός ένας λευκός νάνος, τόσο μικρότερο είναι το μέγεθός του!

Μετά το κόκκινο γιγαντιαίο στάδιο και την απόρριψη όλων των εξωτερικών στρωμάτων αερίου, ο εναπομείνας πυρήνας των ηλιακών αστεριών δεν είναι ικανός να συντήξει την ύλη για να απελευθερώσει φως και ενέργεια. Έτσι, η βαρύτητα αναλαμβάνει και συσφίγγει τα ηλεκτρόνια σε τέτοια αστέρια για να δώσει την υψηλή πυκνότητα για την οποία είναι γνωστά. Όσο μεγαλύτερη είναι η βαρύτητα λόγω υψηλότερης μάζας, τόσο μεγαλύτερη είναι η σύνθλιψη.

Λευκοί νάνοι αστέρια απεικονίζονται από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Πηγή: Wikipedia

Προκειμένου η βαρύτητα να συμπιέσει έναν άσπρο νάνο ακόμη περισσότερο, πρέπει να αναγκάσει όλα τα ηλεκτρόνια να καταλάβουν όλους τους διαθέσιμους χώρους (ενεργειακές καταστάσεις). Πέρα από αυτό, η κβαντική μηχανική δεν θα επιτρέψει πλέον τη βαρύτητα να συμπιέσει το αστέρι: Η αρχή αποκλεισμού του Pauli λέει ότι κανένα 2 ηλεκτρόνια δεν μπορεί να καταλάβει την ίδια ενεργειακή κατάσταση. Αυτό το ανώτατο όριο για να μπορεί να συνθλίψει έναν λευκό νάνο δίνει τη μέγιστη μάζα που μπορεί να έχει, γνωστό ως όριο Chandrasekhar. Το πιο τεράστιο αστέρι λευκού νάνου είναι λοιπόν το μικρότερο γύρω.

# 3: Οι λευκοί νάνοι μπορούν πραγματικά να πάνε σουπερνόβα!

Λευκοί νάνοι αστέρια μερικές φορές βρίσκονται σε στενά δυαδικά συστήματα όπου το άλλο αστέρι είναι λιγότερο ογκώδες από τον Ήλιο μας. Λόγω της εγγύτητας αυτών των αστεριών και της υψηλής βαρυτικής έλξης του λευκού νάνου, τραβά την ύλη από τον σύντροφο!

Ένα αστέρι White Dwarf που τραβά την ύλη από ένα συνοδευτικό αστέρι και σχηματίζει έναν δίσκο συσσώρευσης Πηγή: Wikipedia

Η ύλη σχηματίζει έναν δίσκο αύξησης γύρω από τον λευκό νάνο (λόγω της διατήρησης της γωνιακής ορμής) και αρχίζει να πέφτει πάνω του με τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Η υπό πτώση ύλη αυξάνει την πυκνότητα του λευκού νάνου. Εάν η πυκνότητα υπερβεί το μέγιστο όριο σταθερότητας ενός λευκού νάνου (όπως συζητήθηκε παραπάνω), οδηγεί σε μια έκρηξη άνθρακα σύντηξης που κάνει ολόκληρο το αστέρι να πάει σουπερνόβα και να καταστρέψει ολόκληρο το αστέρι σε λίγα δευτερόλεπτα.

# 4: Οι λευκοί νάνοι μπορούν επίσης να είναι πάλσαρ!

Το αστέρι του λευκού νάνου AR Sco έχει ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο 100 εκατομμύρια φορές πιο ισχυρό από τη Γη και περιστρέφεται γύρω του μέσα σε μόλις 2 λεπτά. Ένα τόσο ισχυρό μαγνητικό πεδίο παράγει έντονες ακτίνες ακτινοβολίας και σωματίδια που μοιάζουν με φάρο, που πυροβολούν τον σύντροφό του με κόκκινο αστέρι νάνου για να δημιουργήσουν ένα τεράστιο ηλεκτρικό ρεύμα σε αυτό.

Τέτοιες πολύ πολωμένες εκπομπές ακτινοβολίας που ελέγχονται από το μαγνητικό πεδίο του αστεριού είχαν δει ποτέ μόνο στα αστέρια νετρονίων. Τέτοια αστέρια ονομάζονται pulsars και τώρα οι λευκοί νάνοι έχουν τον ισχυρισμό και για αυτήν τη φήμη.

# 5: Λευκοί νάνοι ως φωτεινή πηγή βαρυτικών κυμάτων

1600 έτη φωτός μακριά, δύο πυκνοί λευκοί νάνοι είναι κλειδωμένοι σε έναν σπειροειδή χορό ο ένας τον άλλον, κάθε τροχιά διαρκεί μόλις 5 λεπτά. Τελικά θα καταρρεύσουν μαζί για να σχηματίσουν ένα ακόμη πυκνότερο αστέρι νετρονίων, καθώς η τροχιά διασπάται συνεχώς χάρη στους νόμους της γενικής σχετικότητας. Αυτό απελευθερώνει κύματα βαρύτητας όπως απεικονίζεται εδώ:

Λευκοί νάνοι αστέρια στο δυαδικό σύστημα RX J0806.3 + 1527 και η απόλυτη τύχη τους. Πηγή: NASA

Αναμένεται ότι αυτό το σύστημα είναι μια από τις πιο φωτεινές πηγές βαρυτικών κυμάτων που είναι γνωστές στους ανθρώπους και θα είναι πρωταρχικός στόχος για το επερχόμενο παρατηρητήριο LISA του διαστημικού κύματος βαρύτητας.

# 6: Οι λευκοί νάνοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της ηλικίας του Σύμπαντος

Παρόλο που οι λευκοί νάνοι δεν συντήκουν την ύλη για τη δημιουργία θερμότητας και φωτός, η μικρή επιφάνεια τους υπονοεί ότι κρυώνονται πολύ αργά, παραμένοντας έτσι ζεστές για μεγάλο χρονικό διάστημα. Όσο πιο δροσερό παίρνει ένα αστέρι νάνος, τόσο περισσότερος χρόνος χρειάζεται για να κρυώσει περισσότερο, όπως ένα φλιτζάνι καφέ. Δεδομένου ότι το Σύμπαν είναι ακόμη αρκετά νέο, όλοι οι γνωστοί λευκοί νάνοι εξακολουθούν να είναι αρκετά ζεστοί και λευκοί. Θα χρειαστούν δισεκατομμύρια χρόνια για έναν λευκό νάνο να ξεθωριάσει και να αρχίσει να πεθαίνει.

Καθώς η ψύξη πραγματοποιείται πιο αργά και πιο αργά με το χρόνο, θα χρειαστούν τρισεκατομμύρια χρόνια για να γίνει ένας λευκός νάνος ένας νεκρός μαύρος νάνος. Κοιτάζοντας το στάδιο ψύξης των παλαιότερων λευκών νάνων που υπάρχουν, το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ηλικίας του Σύμπαντος. Τα αποτελέσματα συμφωνούσαν με άλλες εκτιμήσεις 13-14 δισεκατομμυρίων ετών.

Ω, και οι σεισμολογικές παρατηρήσεις ενός λευκού νάνου υποδηλώνουν ότι οι πυρήνες τους κρυσταλλώνονται σαν διαμάντια.

συμπέρασμα

Οι λευκοί νάνοι είναι πολύ ενδιαφέροντες και επιτρέπουν στους επιστήμονες να δοκιμάσουν μια μεγάλη ποικιλία φυσικής.

Από τη μελέτη ενός τύπου υπερκαινοφανών έως τον καθορισμό της ηλικίας του Σύμπαντος ως το μελλοντικό παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων, οι λευκοί νάνοι έχουν μοναδική επιστημονική αξία.

PS: Έκανα ένα ερευνητικό έργο Αστροφυσικής σε ένα αστέρι λευκού νάνου σε ένα σύστημα δυαδικών αστεριών, μελετώντας τους παλμούς των ακτίνων X. Το σύστημα είναι συναρπαστικό! :ΡΕ