Biały karzeł — co to jest, jak powstaje i jego cechy
Biały karzeł — czym jest, jak powstaje i jakie ma cechy? Dowiedz się o gęstych pozostałościach gwiazd, procesie z czerwonego olbrzyma i kluczowych właściwościach fizycznych.
Biały karzeł to zwarta gwiazda o bardzo dużej gęstości. Ich materia jest silnie ściśnięta — grawitacja doprowadziła do zbliżenia atomów na tyle, że większość z nich jest zjonizowana, a związane wcześniej elektrony poruszają się swobodnie. Typowa masa białego karła jest zbliżona do masy Słońca, natomiast jego rozmiary przypominają rozmiary Ziemi, co daje ogromną gęstość materii.
Jak powstaje biały karzeł
Białe karły są końcowym stanem ewolucji większości gwiazd — dokładniej: gwiazd, których masa nie jest wystarczająco duża, by skończyć życie jako gwiazda neutronowa. Szacuje się, że ponad 97% gwiazd w Drodze Mlecznej stanie się białymi karłami. §1
W trakcie życia gwiazdy w sekwencji głównej zachodzą procesy syntezy jądrowej (fuzji), które dostarczają energii. Po wyczerpaniu paliwa w jądrze gwiazda poszerza się do etapu czerwonego olbrzyma. W jądrze tego olbrzyma może zachodzić spalanie helu do węgla i tlenu, ale jeśli masa gwiazdy nie jest wystarczająca, temperatura nie osiągnie wartości potrzebnej do zapłonu węgla. W takim przypadku w centrum pozostaje gorący, nieaktywny (bez dalszej fuzji) węgiel i tlen. Po zrzuceniu zewnętrznych warstw tworzy się mgławica planetarna, a pozostały gęsty rdzeń staje się białym karłem.
Co utrzymuje biały karzeł
Materiał w białym karle nie podlega już reakcjom fuzji, więc gwiazda utraciła wewnętrzne źródło energii. Nie jest wspierana przez ciśnienie pochodzące z reakcji jądrowych, lecz przez tzw. ciśnienie degeneracyjne elektronów — efekt wynikający z zasad mechaniki kwantowej, który zapobiega dalszemu zapadaniu się gwiazdy mimo braku fuzji. To ciśnienie zależy od gęstości i jest niezależne od temperatury.
Właściwości i cechy białych karłów
- Rozmiar i masa: typowy biały karzeł ma masę rzędu 0,5–1,0 masy Słońca, a promień porównywalny z promieniem Ziemi.
- Gęstość: materia białego karła osiąga bardzo wysokie gęstości — miliony razy większe niż materia ziemska.
- Temperatura i jasność: młode białe karły są bardzo gorące (dziesiątki tysięcy K) i świecą dzięki resztkowej energii cieplnej; z upływem czasu stygną i ciemnieją przez miliardy lat.
- Skład: większość białych karłów ma rdzeń z węgla i tlenu (powstałych w wyniku wcześniejszej syntezy), otoczony cienką powłoką helu lub wodoru.
- Kryształyzacja: wraz z ochładzaniem jądra zachodzi w nim stopniowa krystalizacja (tworzenie sieci krystalicznej jądra węgla i tlenu), co wpływa na przebieg ochładzania.
- Granica masy: jeśli biały karzeł w układzie podwójnym zbierze dodatkową materię i przekroczy tzw. limit Chandrasekhara (ok. 1,4 masy Słońca), może dojść do zapłonu i eksplozji jako supernowa typu Ia.
- Spektrum: białe karły klasyfikuje się obserwacyjnie według widm (np. typ DA z silnymi liniami wodoru). Ich spektralne cechy wynikają z cienkich atmosfer i wysokiej grawitacji powierzchniowej.
Los Słońca i podobnych gwiazd
Gwiazda taka jak nasze Słońce stanie się białym karłem, gdy skończy się jej paliwo. Pod koniec życia przejdzie przez fazę czerwonego olbrzyma, straci większość otaczającego ją gazu (często tworząc mgławicę planetarną), a pozostały rdzeń skurczy się i ostatecznie utworzy młody, gorący biały karzeł.
Białe karły to fascynujące obiekty, ponieważ łączą w sobie zjawiska astrofizyczne i kwantowo-mechaniczne: ich istnienie i ewolucja pozwalają nam lepiej rozumieć cykl życia gwiazd, historię chemiczną galaktyk oraz przyczyny niektórych typów supernowych.
Zdjęcie Syriusza A i Syriusza B wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a. Syriusz B, który jest białym karłem, może być postrzegany jako słaba plamka światła na dole po lewej stronie znacznie jaśniejszego Syriusza A.
Białe gwiazdy karłowate
Historia
Białe karły zostały odkryte w XVIII wieku. Pierwsza biała gwiazda karłowata, zwana 40 Eridani B, została odkryta 31 stycznia 1783 roku przez Williama Herschela. p73 Jest ona częścią systemu trzech gwiazd zwanego 40 Eridani.
Drugi biały karzeł został odkryty w 1862 roku, ale początkowo uważano go za czerwonego karła. To była mała gwiazda w pobliżu gwiazdy Syriusza. Ta towarzysząca jej gwiazda, zwana Syriuszem B, miała temperaturę powierzchni około 25.000 kelwinów, więc uważano ją za gorącą gwiazdę. Jednak Syriusz B był około 10.000 razy słabszy od pierwotnego, Syriusza A. Naukowcy odkryli, że masa Syriusza B jest prawie taka sama jak masa Słońca. Oznacza to, że Syriusz B był kiedyś gwiazdą podobną do naszego Słońca.
W 1917 roku Adriaan van Maanen odkrył białego karła, który nazywa się Van Maanen 2. Był to trzeci biały karzeł, który został odkryty. Jest to najbliższy biały karzeł na Ziemi, z wyjątkiem Syriusza B. W 1917 roku Adriaan van Maanen odkrył białego karła.
Promieniowanie i temperatura
Biały karzeł ma niską jasność (całkowita ilość oddawanego światła), ale bardzo gorący rdzeń. Rdzeń może mieć 107 K, podczas gdy jego powierzchnia to tylko 104 K.
Biały karzeł jest bardzo gorący, gdy się tworzy, ale ponieważ nie ma źródła energii, będzie stopniowo wypromieniowywać swoją energię i ochładzać. Oznacza to, że jego promieniowanie, które na początku daje mu kolor niebieski lub biały, z czasem maleje. Przez bardzo długi czas biały karzeł ochładza się do temperatur, w których nie będzie już emitował światła. O ile biały karzeł nie otrzyma materii od towarzyszącej mu gwiazdy lub innego źródła, jego promieniowanie pochodzi od zmagazynowanego ciepła. Nie jest ono zastępowane.
Białe karły chłodzą się powoli z dwóch powodów. Mają bardzo małą powierzchnię, z której wypromieniowują to ciepło, więc schładzają się stopniowo, pozostając gorące przez długi czas. Poza tym, są bardzo nieprzezroczyste. Zdegenerowana materia tworząca większość białego karła zatrzymuje światło i inne promieniowanie elektromagnetyczne, więc promieniowanie to nie zabiera wiele energii.
W końcu wszystkie białe karły ochłodzą się do czarnych karłów, tak zwanych, ponieważ brakuje im energii do tworzenia światła. Nie istnieją jeszcze żadne czarne karły, ponieważ ochłodzenie się białego karła trwa dłużej niż obecny wiek wszechświata. Czarny karzeł jest tym, co zostanie z gwiazdy po zużyciu całej swojej energii (ciepła i światła).
Ponowny zapłon
Białe karły mogą ponownie zapalić się i eksplodować jako supernowe, jeśli dostaną więcej materiału. Biały karzeł ma maksymalną masę, aby mógł pozostać stabilny. Jest to tzw. granica Chandrasekharu.
Karzeł może wciągnąć materiał z towarzyszącej mu gwiazdy, na przykład, przynosząc go ponad granicę Chandrasekharu. Dodatkowa masa uruchomiłaby reakcję fuzji węglowej. Astronomowie uważają, że ten ponowny zapłon może być przyczyną supernowów typu Ia.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest biały karzeł?
O: Biały karzeł to zwarta gwiazda, której materia została zgnieciona przez grawitację i pozbawiona elektronów.
P: Jaka jest masa białego karła w porównaniu ze Słońcem?
O: Masa białego karła jest podobna do masy Słońca, ale jego objętość jest podobna do objętości Ziemi.
P: Jakie rodzaje gwiazd stają się białymi karłami?
O: Biały karzeł to końcowy stan ewolucyjny wszystkich gwiazd, których masa nie jest wystarczająco duża, aby stać się gwiazdą neutronową. Ponad 97% gwiazd w Drodze Mlecznej stanie się białymi karłami.
P: Jak powstaje czerwony olbrzym?
O: Po zakończeniu okresu spalania wodoru przez gwiazdę ciągu głównego, rozszerza się ona, tworząc czerwonego olbrzyma, który w swoim jądrze spala hel na węgiel i tlen. Jeżeli nie ma wystarczającej masy do stopienia węgla, w jej centrum gromadzi się nieaktywny węgiel i tlen.
P: Co się dzieje po zrzuceniu zewnętrznych warstw w celu utworzenia mgławicy planetarnej?
O: Po zrzuceniu zewnętrznych warstw w celu utworzenia mgławicy planetarnej, pozostaje po niej jądro, które staje się białym karłem.
P: Czy materiał w białym karle ulega reakcjom syntezy jądrowej?
O: Nie, materiał w białym karle nie ulega już reakcjom termojądrowym, więc nie ma dla niego źródła energii i nie może być podtrzymywany przez ciepło przed zapadnięciem grawitacyjnym.
P: Jak nasze Słońce staje się białym karłem?
O: Nasze Słońce stanie się Białym Karłem, gdy zabraknie mu paliwa pod koniec jego życia; najpierw przechodzi przez fazę czerwonego olbrzyma, następnie traci większość gazu, aż to, co zostanie, kurczy się w młodego Białego Karła.
Przeszukaj encyklopedię