Білі карлики

Білі карлики

Близько ста п’ятдесяти років тому відомий астроном і математик Бессель проводив спостереження над Сиріусом – найяскравішою зіркою неба. При цьому він натрапив на вельми цікаве явище: виявив, що, рухаючись по небу, Сиріус відчуває періодичні відхилення від прямолінійного шляху, звичайного для більшості зірок. Цей факт послужив поштовхом до відкриття дивних небесних тіл – «білих карликів». Чимало різноманітних творів присвятили їм письменники-фантасти. Але, мабуть, ще більше інтересу викликали вони у людей науки. Дослідження білих карликів ще далеко не закінчено. І сьогодні вони продовжують ставити загадки астрономам і фізикам. Про ці незвичайні тіла, про їх і понині нерозгадані особливості ми розповімо.

ДИВНИЙ СУПУТНИК

Відкрита Бесселем своєрідність руху Сиріуса знайшла просте пояснення. Було висловлено припущення, що Сиріус має невидимого супутника, який впливає на його рух. Такі подвійні системи у Всесвіті не рідкість. Наша Земля, рухаючись навколо Сонця, теж відчуває, хоча і в набагато меншому ступені, вплив свого природного супутника – Місяця.

Незабаром це припущення підтвердилося: поблизу очікуваного місця вдалося виявити дуже тьмяну зірочку. Термін «дуже тьмяна», правда, занадто невизначений. Тому нам доведеться ввести спеціальну величину – світність. Вона вимірює кількість світлової енергії, випромінюваної зіркою за певний проміжок часу. Так от, світність супутника Сиріуса виявилася дуже малою – у кілька сот разів менше, ніж Сонця. У той же час за ступенем впливу на рух Сиріуса можна було визначити масу супутника. І тут несподівано вийшла вельми значна цифра: супутник виявився майже настільки ж потужним, як Сонце!

Спробуємо розібратися, чим же можна пояснити причину такої різкої відмінності властивостей супутника Сиріуса і Сонця. Зауважимо, перш за все, що світність залежить головним чином від двох величин: температури поверхні зірки і розміру цієї поверхні. Зі зменшенням цих величин світність падає. А раз так, то пояснити малу світимість супутника можна двояко: або температура його невисока, або розміри його малі в порівнянні з Сонцем.

Спочатку вчені пішли по першому – більш простому і, як виявилося, невірному, шляху. Супутник Сиріуса (йому було присвоєно назву Сиріус-В) був зарахований до розряду порівняно холодних зірок. Інтерес до нього пропав: хіба мало холодних зірок у Всесвіті! І тривалий час він не привертав до себе особливої уваги.

Але настав час, коли спокій астрономів порушився. Це сталося тоді, коли з’явилася можливість досліджувати спектр випромінювання Сиріуса-В і в першу чергу його колірного складу. Справа в тому, що за кольором астрономи навчилися оцінювати температуру поверхні зірок. (Варто нагадати, що той же по суті фізичний принцип використовується здавна при визначенні ступеня нагрітости металу: адже, розігріваючись, метал змінює колір від темно-червоного до біло-блакитного.)

Коротше кажучи, на загальний подив спеціальні дослідження показали, що Сиріус-В є не тільки не холодною, але, навпаки, дуже гарячою зіркою. Він належить до класу білих зірок і має поверхневу температуру близько 8000 градусів – на 2000 градусів вищу, ніж у Сонця.

І тут постало завдання по-новому пояснити малу світимість загадкового супутника. Власне, відповідь на це питання була готова і раніше – довелося згадати про другу можливість, яку перш відкинули: вважати, що Сиріус-В надзвичайно малий за розмірами. Зробили підрахунки. І з’ясувалося, що радіус зірки повинен бути приблизно в 50 разів менше радіуса Сонця. Іншими словами Сиріус-В величиною нагадує нашу Землю.

Білі карлики

Якщо тепер згадати, що маса його близька до сонячної, то ми приходимо до абсолютно вражаючого висновку: середня щільність речовини Сиріуса-В становить близько 105 грамів (сто кілограмів) на кубічний сантиметр. У 100 000 разів більше щільності води! Ні з чим, хоча б віддалено схожим, людина ніколи не мала справи – щільність навіть самої важкої земної речовини не перевищує 20 грамів на кубічний сантиметр. Грандіозність наведеної величини читач найкраще відчує, якщо спробує підрахувати, скількох приятелів йому доведеться кликати на допомогу, щоб перевернути зроблену з речовини Сиріуса-В сторінку нашого журналу, якщо б він був по-старому паперовим, а не віртуальним.

ЧЕРВОНИЙ ЗСУВ

Висновок, до якого ми прийшли, може не всім здатися досить переконливим. Тому варто навести й інший факт, який його підтверджує. Йдеться про ефект так званого «червоного зсуву», відкритий знаменитим фізиком Ейнштейном. Ефект полягає в тому, що частота світлових коливань залежить від величини сили тяжіння, що діє на шляху поширення світла. Якщо на джерело світла діє більша сила тяжіння, ніж на приймач, то і частота світла, що випускається буде більше, ніж прийнятого. Світло, як кажуть оптики, «почервоніє» у процесі поширення від області з більшою силою тяжіння до області з меншою силою тяжіння.

Спробуємо пояснити, чому це відбудеться. Читачеві, мабуть, відомо, що за певних умов світло можна вважати складеним з частинок – фотонів. І енергія їх пропорційна частоті світла. Ясно й інше: щоб будь-яке тіло – будь то космічний корабель або фотон – могло вирватися з області, де сила тяжіння велика, потрібно затратити певну кількість енергії. А так як фотон не споряджений жодним «ракетою-носієм», він витрачає на це власну енергію. У результаті, «вириваючись з пут тяжкості» , він втрачає свою енергію, знижує частоту світлових коливань і потрапляє в приймач з меншою енергією, тобто з меншою частотою.

На поверхні Сиріуса-В сила тяжіння у багато разів більше, ніж на Землі (притому ж приблизно радіусі ця зірка має набагато більшу масу). Тому світло, яке прийшло з Сиріуса-В повинно мати помітно меншу частоту, ніж світло від такого ж джерела, що знаходиться на Землі. А знаючи зміну частоти, неважко обчислити силу тяжіння на поверхні Сиріуса-В і тим самим перевірити отримані раніше дані про його масу і радіус. Такі дослідження були пророблені. Титанічне тяжіння виявилося дійсно відображеним у світлі зірки.

БІЛІ КАРЛИКИ

Уважний читач, ймовірно, вже зрозумів, чому зірки, подібні Сиріусу-В, отримали цю не зовсім звичайну для наукового терміну назву. Але перш ніж іти далі, корисно познайомитися з системою зірок в цілому і уточнити, яке місце займають у ній білі карлики.

Тут дуже зручна так звана діаграма Рессела, зображена на малюнку. Вона являє собою графік, по вертикальній осі якого відкладені світності зірок, а по горизонтальній (її прийнято направляти справа наліво) – температури їх поверхонь. Кожній зірці на графіку відповідає окрема точка . І от виявляється, що точки-зірки розташовуються на графіку не абияк. Вони утворюють три чітко виділені області – ті, що заштриховані.

Перш за все, ми бачимо вузьку довгу смугу, що перетинає графік по діагоналі. Це – «головна послідовність». До неї належать звичайні зірки, подібні до нашого Сонця. Справа вгорі розташовані «червоні гіганти». Як видно з діаграми, вони мають низьку температуру («червоні»). Світність ж їх висока, що можливо тільки в тому випадку , якщо їх розміри великі («гіганти»). Нарешті в лівому нижньому кутку знаходяться зірки, яким присвячена ця стаття. Їх температура висока («білі»), тоді як світність, а значить і радіус малі («карлики»).

Таким чином, білі карлики – аж ніяк не рідкість. Вони утворюють окремий яскраво виражений зоряний клас. У нього входить величезна кількість зірок, ймовірно, кілька відсотків загального числа зірок Галактики. Проте до справжнього моменту відкрито всього близько сотні білих карликів. Всі вони мають масу порядку сонячної і радіус порядку земного. І все ж їх властивості можуть помітним чином відрізнятися.

діаграмма Рессела

Як видно з діаграми Рессела, область білих карликів розтягнута вздовж осі температур. Малим температурам відповідають «жовті», великим – «блакитні » карлики. Світність карликів також може бути різною. Вона, як правило, менше сонячної, та іноді в десятки тисяч разів.

Набагато важливіше, однак, питання про те, якої величини може досягати щільність білих карликів. Ми наведемо дані по одній з найбільш щільних зірок цього класу – зірці Росс-627. Вона має масу, рівну сонячній, а радіус всього 3000 кілометрів. У 200 разів менше сонячного і вдвічі менше земного! А середня щільність її речовини перевищує 10 грамів (10 тонн) на кубічний сантиметр ! У центрі зірки щільність ще вище. Факт, здатний вразити уяву навіть самого загартованого скептика. Однак можна думати, що й це не межа.

НОВІ І НАДНОВІ

Розглядаючи діаграму Рессела, ви можете запитати: з чим пов’язана наявність порожніх проміжків, що розділяють зоряні класи? Відповідь така: не всяка зірка стійка. Зірка, що потрапила в цей проміжок порівняно швидко змінює свої властивості і потрапляє в заштрихованну область діаграми.

Ми зараз трохи відвернемося і поговоримо про нестійкі зірки, бо це питання має відношення до минулого і, можливо, майбутньому білих карликів. Прикладів нестійкості зірок відомо багато. Короткочасна і навіть слабка втрата стійкості Сонця призводить до потужних спалахів, при яких на Землі порушується радіозв’язок, виникають магнітні бурі і т. д.

Дуже цікаве явище являють собою спалахи Нових зірок (або просто Нових). Слабка зірка раптом різко збільшує блиск і через короткий час загасає. При цьому вона «скидає» свою оболонку, яка поступово розширюється в навколишній простір. І це може повторюватися багато разів поспіль.

Однак найяскравішим проявом нестійкості зірок є абсолютно виняткові за потужністю спалахи Наднових. У 1054 році два безіменних астронома – китайський і японський – зафіксували у своїх рукописах незвичайне явище природи: у небі спалахнула зірка виключної яскравості, видима навіть вдень. Проведені в наші дні вимірювання швидкості «пластівців» Крабовидної туманності, розташованій приблизно в тій же точці неба, показали, що ця туманність розширюється, причому початок розширення відноситься до епохи приблизно 900-річної давності. Такі два різних етапи одного і того ж явища – спалахи наднових.

При подібних спалахах відбувається потужний вибух, через який значна частина маси зірки викидається в навколишній простір. У результаті утворюється щось на зразок «вишні»: у центрі щільна кісточка-зірка, навколо пухка м’якоть – туманність. Остання поступово розповзається і приймає неправильні обриси.

Чим викликається втрата стійкості зірок? Мабуть, потужними ядерними вибухами, при яких виділяється величезна кількість енергії. Можливо, що значну роль відіграють магнітні поля зірок. Однак повного розуміння природи спалахів ще немає. Особливо це відноситься до найновіших.

Після цих відступів повернемося до нашої основної теми і поставимо питання: як виникли білі карлики і яка їх подальша доля? На жаль, поки сказати з цього приводу можна не надто багато.

Згідно з найбільш поширеною зараз еволюційною гіпотезою зірки головної послідовності переходять в процесі свого розвитку в стан червоного гіганта. Після цього відбувається втрата стійкості, оболонка зірки скидається, серцевина ущільнюється і виникає білий карлик. Він є за цією гіпотезою «вмираючою» зіркою, останнім етапом еволюції зірки, як зоряного тіла. Потім, остигаючи, він поступово перетворюється на «чорний» карлик і стає невидимим.

Є й інші точки зору. Висловлювалася гіпотеза, що карлик виникає не з червоного гіганта, а при спалаху Нової. Але так як подібні спалахи повторюються десятки і сотні разів, карлик аж ніяк не може бути вмираючою зіркою. Навпаки, він повинен нести в собі значні запаси енергії. Існують й інші гіпотези, але в цілому це важливе питання ще далеке від вирішення.

Автор: Д. Кіржніц.

P. S. О чем еще думают британские ученные: о том какое все-таки это замечательное дело – наблюдать за звездами. Ведь помимо чисто научной информации в звездном небе можно найти ответы и на такие извечные вопросы, как скажем, «как найти свое предназначение», «в чем смысл жизни» и еще многое другое.

Leave a Reply

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