Білі карлики. Продовження.

Білі карлики

Залишається ще одна цікава проблема: яка ж природа надважкої речовини білих карликів? Які особливості їх внутрішньої будови? Перш ніж говорити про це, нам доведеться знову зробити невеликий відступ – розповісти про будову інших зірок.

Зазвичай вважається, що речовина може перебувати в трьох станах: твердому, рідкому і газоподібному. У твердому тілі атоми утворюють кристалічну решітку і здійснюють малі коливання біля нерухомих положень рівноваги. З підвищенням температури амплітуда (розмах) цих коливань збільшується, і тіло плавиться, перетворюється в рідину. Коливання при цьому не припиняються, але самі положення рівноваги повільно переміщаються по рідини. При подальшому підвищенні температури відбувається кипіння, утворюється газ. У газоподібному стані розірвані зв’язки, що утримують атоми один біля одного . Атоми рухаються хаотично, час від часу стикаючись, розлітаючись і т. д.

А що станеться, якщо далі збільшувати температуру? Виявляється, при цьому виникає новий, четвертий стан речовини – іонізованний газ або плазма. Співудари швидких атомів призводять до «зриву» наявних у їх складі електронів, які починають вести самостійне життя. Таким чином, гаряча плазма являє собою систему швидких ядер і електронів. На відміну від звичайного газу частинки плазми досить сильно взаємодіють один з одним завдяки наявності у них електричного заряду. Властивості плазми дуже своєрідні і багато з них стали відомі лише в самий останній час, коли плазмою зацікавилися у зв’язку з проблемою «штучних сонць» – керованих термоядерних реакцій.

Саме в такому, плазмовому стані знаходиться речовина в надрах більшості зірок, і, зокрема, Сонця. Панівні там температури значно перевищують температуру поверхні зірки і досягають десятків мільйонів градусів. У цьому своєрідному стані речовини зоряних надр і криється секрет колосального звільнення енергії в зірках.

Атомні ядра, як відомо, заряджені однойменно і відчувають взаємне електростатичне відштовхування. Тому для тісного зближення ядер, яке необхідно для протікання реакції, вони повинні мати достатньо великі зустрічні швидкості. У лабораторіях це досягається тим, що ядра прискорюються на спеціальних прискорювачах. У зірках ж ( як, до речі, і в майбутніх установках з термоядерного синтезу) пришвидшуючим початком служить висока температура. Словом, «запалені» високою температурою ядерні реакції і є джерелом тих величезних потоків енергії, які випромінюються зірками.

Як бачимо, звичайні зірки складаються з плазми. І саме плазма в них «працює». А білі карлики? Тут справа складніше.

ПЛАЗМА АБО МЕТАЛ!

Ви вже добре усвідомили собі головну відмінність білих карликів від інших зірок: надзвичайно висока щільність речовини. Що ж до внутрішньої температури, то вона більш-менш однакова для всіх зірок.

Будемо спочатку вважати карлик холодним (про температуру ми ще згадаємо). І спробуємо подумки «приготувати» таку надщільну матерію. Візьмемо холодне тверде тіло і стиснемо його з велетенським, недосяжним в земних умовах, зусиллям. Стиснути тіло – значить передати йому енергію. Тому електрони, що стали досить енергійними, відірвуться, зрештою, від своїх ядер. Хоча виникаючий при цьому «холодний» електронний газ і не буде цілком схожий з «гарячим» електронним газом плазми, можна тим не менш сказати, що стиснення подіє на електрони так само, як нагрівання – відірве їх від ядер атомів. Але на цьому схожість між розігріванням і стисненням речовини вичерпується.

Для розуміння внутрішньої структури білого карлика дуже важливою є та обставина, що на ядра нагрівання і стиснення діють прямо протилежним чином. При нагріванні, як ми знаємо, кристалічна решітка руйнується (плавлення), при стисненні ж – навпаки, стабілізується, стає більш жорсткою. Дійсно, жорсткість звичайної кристалічної решітки, завдяки якій тверде тіло є насправді твердим, обумовлена в кінцевому рахунку електричними силами – взаємним тяжінням або відштовхуванням, які відчувають ядра і електрони. А електричні взаємодії, як це випливає з відомого кожному восьмикласнику закону Кулона, збільшуються із зменшенням відстані між зарядами. Стиснення як раз і призводить до такого зменшення. Отже, жорсткість решітки при цьому зростає.

Таким чином, наша стисла речовина знаходиться в дуже твердому стані, причому всі її електрони вільно переміщуються по тілу. Подібна речовина нагадує метал. Адже в звичайному металі теж є електронний газ (він-то і надає металу високу електропровідність). Однак більша частина електронів там залишається пов’язаною з ядрами.

Тепер згадаємо, що у білих карликів, крім надвисокого тиску, є ще температура, і притому чимала. Як вона подіє? На електронному газі вона практично не позначиться, оскільки він і без того має високу енергію. Однак на ядра, точніше кажучи на грати ядер, температура надасть свій звичайний руйнівний вплив. Чи буде цей тепловий вплив досить сильним, щоб зруйнувати решітку, що стала дуже жорсткою через високу щільність? Оскільки поставити дослід ми не можемо, відповідь на таке питання можуть дати тільки обчислення.

Ці обчислення були виконані. І вони показали, що решітка атомних ядер в надщільній речовині зовсім не обов’язково повинна зруйнуватися від високої температури. Жорсткість решітки цілком здатна протистояти нагріванню, навіть дуже сильному. А значить, на відміну від інших зірок, речовина яких знаходиться в стані плазми, білі карлики мають право мати структуру твердого тіла. Білий карлик може бути схожим на брилу надміцного розпеченого металу!

«ВМИРАЮЧІ » ЧИ «ЗАСИНАЮЧІ» !

А тепер повернемося до питання про долі наших дивовижних зірок. Ви, мабуть, пам’ятаєте, що говорячи про майбутнє білих карликів, ми згадали дві гіпотези . Одна з них, якої дотримується більшість вчених, полягає в тому, що білі карлики – «вмираючі» небесні тіла (не мають власних джерел енергії і поступово остигають). Інша ж гіпотеза, навпаки, допускає можливість відродження активності цих зірок. Зараз, маючи уявлення про внутрішню структуру карликів, ми вже можемо серйозно обговорити ці гіпотези.

Якби речовина карлика перебувала в стані плазми, ядерні реакції в ньому протікали б надзвичайно швидко. Досить сказати, що відстань між ядрами стисненої речовини мала, і їм порівняно неважко подолати взаємне відштовхування. Тому в такій зірці ядерне пальне має швидко «вигоріти». Саме в цьому полягав основний аргумент прихильників першої гіпотези.

Ну, а якщо карлик твердий? Чи «вигорить» його речовина? Інтуїція підказує, що швидкість реакції повинна при цьому сильно впасти. Дійсно, «замороженим» в решітці ядрам, щоб зблизитися, потрібно подолати не тільки взаємне відштовхування, а й стабілізуючі сили з боку своїх сусідів по решітці.

Розрахунок повністю підтверджує ці міркування. Швидкість реакції може зменшуватися надзвичайно сильно – в мільярд разів! Тому допустима концентрація ядерного пального (конкретно йдеться про водень) може різко зрости. І білий карлик здатний зберігати в собі могутні сили, здатний заново спалахнути. Вибір між гіпотезами «вмирання» і «засипання», як бачите, ще не зроблено. Можна думати, що гіпотеза про твердих карликів, розробка якої ще тільки почалася, внесе в це питання належну ясність.

ЗАГАДКА СИРІУСА-В

Особливо показова в цьому сенсі історія з нашим старим знайомим – Сиріусом-В. Він ще продовжує завдавати неприємності астрофізикам. Справа в тому, що якщо вважати його плазмовою зіркою, то допустима концентрація водню складає в ньому всього тисячну частку відсотка. З іншого боку, за виміряним значенням його маси і радіусу можна теоретично визначити концентрацію водню. Цей розрахунок призводить до величини 50-70 відсотків. У наявності сильне протиріччя!

Якщо ж вважати Сиріус-В твердим, то за попередніми оцінками можна підняти допустиму концентрацію водню до кількох відсотків, тобто в тисячу разів. Можливо, що вдасться посунутися в цьому напрямку і далі – «дозволити» карлику ще великі запаси ядерного палива. З іншого боку, дуже ймовірно, що і спостережні дані недостатньо точні. Постає проблема глибокого астрофізичного дослідження загадкової зірки.

Закінчуючи цю статтю, хочеться підкреслити, що на відміну від «земної» фізики висновки астрофізики носять набагато більш гаданий, гіпотетичний характер. Тому причиною віддаленість небесних об’єктів і «мутність» нашого вікна у Всесвіт – наявність земної атмосфери. Тому астрофізика розвивається у важких умовах і багато її висновків ще чекають свого остаточного підтвердження.

Тим не менш, у астрофізиків є всі підстави бути оптимістами. Зовсім недавно ми стали свідками того, як застосування радіометодів в астрономії призвело до справжнього перевороту в цій стародавній науці. Немає ніякого сумніву в тому, що винесення земних обсерваторій за межі атмосфери – дасть колосальний поштовх науці про небо, у найсильнішій ступені поглибивши і розширивши наші знання про природу.

Автор: Д. Кіржніц.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *