Biely trpaslík je hviezda, ktorá je v našom vesmíre celkom bežná. Vedci to nazývajú výsledkom evolúcie hviezd, záverečným štádiom vývoja. Celkovo existujú dva scenáre úpravy hviezdneho telesa, v jednom prípade je konečným stupňom neutrónová hviezda, v druhom čierna diera. Trpaslíci sú posledným evolučným krokom. Majú okolo seba planetárne systémy. Vedci to dokázali určiť skúmaním vzoriek obohatených o kovy.
Pozadie
Bieli trpaslíci sú hviezdy, ktoré upútali pozornosť astronómov v roku 1919. Po prvýkrát takéto nebeské teleso objavil vedec z Holandska Maanen. Na svoju dobu špecialista urobil dosť netypický a nečakaný objav. Trpaslík, ktorého videl, vyzeral ako hviezda, no mal neštandardne malé rozmery. Spektrum však bolo, ako keby to bolo masívne a veľké nebeské teleso.
Dôvody takého zvláštneho javu priťahovali vedcov už nejaký čas, a tak sa vynaložilo veľké úsilie na štúdium štruktúry bielych trpaslíkov. Prelom nastal, keď vyjadrili a dokázali predpoklad o množstve rôznych kovových štruktúr v atmosfére nebeského telesa.
Je potrebné objasniť, že kovy v astrofyzike sú všetky druhy prvkov, ktorých molekuly sú ťažšie ako vodík, hélium a ich chemické zloženie je progresívnejšie ako tieto dve zlúčeniny. Hélium, vodík, ako sa vedcom podarilo zistiť, sú v našom vesmíre rozšírenejšie ako akékoľvek iné látky. Na základe toho bolo rozhodnuté označiť všetko ostatné ako kovy.
Vývoj témy
Hoci bieli trpaslíci, čo sa veľkosti veľmi líšia od Slnka, boli prvýkrát videní v dvadsiatych rokoch, až o polstoročie neskôr ľudia zistili, že prítomnosť kovových štruktúr v hviezdnej atmosfére nie je typickým javom. Ako sa ukázalo, pri zaradení do atmosféry sa okrem dvoch najbežnejších látok, ťažších, presúvajú do hlbších vrstiev. Ťažké látky, ktoré patria medzi molekuly hélia, vodíka, sa musia nakoniec presunúť do jadra hviezdy.
Tento proces mal niekoľko dôvodov. Polomer bieleho trpaslíka je malý, takéto hviezdne telá sú veľmi kompaktné - nie nadarmo dostali svoje meno. V priemere je polomer porovnateľný s polomerom Zeme, pričom hmotnosť je podobná hmotnosti hviezdy, ktorá osvetľuje náš planetárny systém. Tento pomer rozmerov a hmotnosti spôsobuje mimoriadne veľké gravitačné povrchové zrýchlenie. V dôsledku toho dochádza k ukladaniu ťažkých kovov vo vodíkovej a héliovej atmosfére len niekoľko dní na Zemi po tom, čo molekula vstúpi do celkovej plynnej hmoty.
Funkcie a trvanie
Niekedy vlastnosti bielych trpaslíkovsú také, že proces sedimentácie molekúl ťažkých látok sa môže oddialiť na dlhú dobu. Najpriaznivejšie možnosti z pohľadu pozorovateľa zo Zeme sú procesy, ktoré trvajú milióny, desiatky miliónov rokov. Takéto časové rozpätia sú však výnimočne krátke v porovnaní so životnosťou samotného hviezdneho telesa.
Vývoj bieleho trpaslíka je taký, že väčšina útvarov, ktoré v súčasnosti človek pozoruje, má už niekoľko stoviek miliónov pozemských rokov. Ak to porovnáme s najpomalším procesom absorpcie kovov jadrom, rozdiel je viac než výrazný. Detekcia kovu v atmosfére určitej pozorovateľnej hviezdy nám preto umožňuje s istotou dospieť k záveru, že teleso pôvodne nemalo také zloženie atmosféry, inak by všetky kovové inklúzie už dávno zmizli.
Teória a prax
Vyššie opísané pozorovania, ako aj informácie zhromaždené počas mnohých desaťročí o bielych trpaslíkoch, neutrónových hviezdach a čiernych dierach naznačujú, že atmosféra prijíma kovové inklúzie z vonkajších zdrojov. Vedci sa najskôr rozhodli, že toto je médium medzi hviezdami. Nebeské teleso sa pohybuje takouto hmotou, nanáša médium na svoj povrch, čím obohacuje atmosféru o ťažké prvky. Ďalšie pozorovania však ukázali, že takáto teória je neudržateľná. Ako experti upresnili, ak by k zmene atmosféry došlo týmto spôsobom, trpaslík by prijímal vodík najmä zvonku, keďže médium medzi hviezdami tvoril vo svojom objeme vodík amolekuly hélia. Len malé percento média tvoria ťažké zlúčeniny.
Ak by sa teória vytvorená z primárnych pozorovaní bielych trpaslíkov, neutrónových hviezd a čiernych dier ospravedlnila, trpaslíci by pozostávali z vodíka ako najľahšieho prvku. To by neumožnilo existenciu ani héliových nebeských telies, pretože hélium je ťažšie, čo znamená, že pribúdanie vodíka by ho pred okom vonkajšieho pozorovateľa úplne skrylo. Na základe prítomnosti héliových trpaslíkov vedci dospeli k záveru, že medzihviezdne médium nemôže slúžiť ako jediný a dokonca ani hlavný zdroj kovov v atmosfére hviezdnych telies.
Ako to vysvetliť?
Vedci, ktorí študovali čierne diery, bielych trpaslíkov v 70. rokoch minulého storočia, navrhli, že kovové inklúzie možno vysvetliť pádom komét na povrch nebeského telesa. Je pravda, že kedysi sa takéto nápady považovali za príliš exotické a nedostali podporu. Do veľkej miery to bolo spôsobené tým, že ľudia ešte nevedeli o prítomnosti iných planetárnych systémov – bola známa iba naša „domáca“slnečná sústava.
Významný krok vpred v štúdiu čiernych dier, bielych trpaslíkov, bol urobený na konci nasledujúceho, ôsmeho desaťročia minulého storočia. Vedci majú k dispozícii najmä výkonné infračervené prístroje na pozorovanie hĺbok vesmíru, ktoré umožnili odhaliť infračervené žiarenie v okolí jedného zo známych astronómov bieleho trpaslíka. To bolo odhalené práve okolo trpaslíka, ktorého atmosféra obsahovala kovzahrnutie.
Infračervené žiarenie, ktoré umožnilo odhadnúť teplotu bieleho trpaslíka, tiež vedcom prezradilo, že hviezdne telo je obklopené nejakou látkou, ktorá dokáže absorbovať hviezdne žiarenie. Táto látka sa zahrieva na špecifickú úroveň teploty, ktorá je nižšia ako teplota hviezdy. To vám umožní postupne presmerovať absorbovanú energiu. Žiarenie sa vyskytuje v infračervenom rozsahu.
Veda ide dopredu
Spektrá bieleho trpaslíka sa stali predmetom štúdia pokročilých myslí sveta astronómov. Ako sa ukázalo, od nich môžete získať pomerne veľa informácií o vlastnostiach nebeských telies. Obzvlášť zaujímavé boli pozorovania hviezdnych telies s prebytkom infračerveného žiarenia. V súčasnosti sa podarilo identifikovať asi tri desiatky systémov tohto typu. Ich hlavné percento bolo študované pomocou najvýkonnejšieho Spitzerovho teleskopu.
Vedci pri pozorovaní nebeských telies zistili, že hustota bielych trpaslíkov je výrazne menšia ako tento parameter, charakteristický pre obrov. Zistilo sa tiež, že prebytok infračerveného žiarenia je spôsobený prítomnosťou diskov tvorených špecifickou látkou, ktorá dokáže absorbovať energetické žiarenie. Je to tá, ktorá potom vyžaruje energiu, ale v inom rozsahu vlnových dĺžok.
Disky sú výnimočne blízko a do určitej miery ovplyvňujú hmotnosť bielych trpaslíkov (ktorá nemôže prekročiť hranicu Chandrasekhar). Vonkajší polomer sa nazýva detritálny disk. Predpokladalo sa, že vznikol pri zničení nejakého tela. Priemer je veľkosťou porovnateľný so Slnkom.
Ak sa pozriete na náš planetárny systém, je jasné, že relatívne blízko „domova“môžeme pozorovať podobný príklad – sú to prstence obklopujúce Saturn, ktorých veľkosť je tiež porovnateľná s polomerom naša hviezda. Vedci postupom času zistili, že táto vlastnosť nie je jediná, ktorú majú trpaslíci a Saturn spoločnú. Napríklad planéta aj hviezdy majú veľmi tenké disky, ktoré nie sú priehľadné, keď sa snažia presvitať svetlom.
Závery a vývoj teórie
Pretože prstence bielych trpaslíkov sú porovnateľné s prstencami, ktoré obklopujú Saturn, bolo možné formulovať nové teórie, ktoré vysvetľujú prítomnosť kovov v atmosfére týchto hviezd. Astronómovia vedia, že prstence okolo Saturnu sú tvorené slapovým narušením niektorých telies, ktoré sú dostatočne blízko k planéte, aby boli ovplyvnené jej gravitačným poľom. V takejto situácii si vonkajšie telo nedokáže udržať vlastnú gravitáciu, čo vedie k narušeniu integrity.
Asi pred pätnástimi rokmi bola predstavená nová teória, ktorá vysvetľovala vznik prstencov bielych trpaslíkov podobným spôsobom. Predpokladalo sa, že pôvodne bol trpaslík hviezdou v strede planetárneho systému. Nebeské teleso sa postupom času vyvíja, čo trvá miliardy rokov, napučiava, stráca schránku a to spôsobí vznik trpaslíka, ktorý sa postupne ochladzuje. Mimochodom, farba bielych trpaslíkov sa vysvetľuje práve ich teplotou. Pre niektorých sa to odhaduje na 200 000 K.
Systém planét v priebehu takéhoto vývoja môže prežiť, čo vedie kexpanzia vonkajšej časti systému súčasne s poklesom hmotnosti hviezdy. V dôsledku toho sa vytvára veľký systém planét. Planéty, asteroidy a mnohé ďalšie prvky prežívajú evolúciu.
Čo ďalej?
Pokrok systému môže viesť k jeho nestabilite. To vedie k bombardovaniu priestoru obklopujúceho planétu kameňmi a asteroidy čiastočne vyletujú zo systému. Niektoré z nich sa však presunú na obežnú dráhu a skôr či neskôr sa ocitnú v slnečnom polomere trpaslíka. Kolízie sa nevyskytujú, ale prílivové sily vedú k narušeniu integrity tela. Zhluk takýchto asteroidov nadobúda tvar podobný prstencom obklopujúcim Saturn. Okolo hviezdy sa tak vytvorí disk trosiek. Hustota bieleho trpaslíka (asi 10^7 g/cm3) a jeho detritálneho disku sa výrazne líšia.
Popísaná teória sa stala celkom úplným a logickým vysvetlením množstva astronomických javov. Vďaka nej sa dá pochopiť, prečo sú disky kompaktné, pretože hviezda nemôže byť počas celej svojej existencie obklopená diskom s polomerom porovnateľným s polomerom Slnka, inak by takéto disky boli najskôr v jej tele.
Vysvetlením tvorby diskov a ich veľkosti možno pochopiť, odkiaľ pochádza zvláštna zásoba kovov. Mohlo by to skončiť na povrchu hviezdy a kontaminovať trpaslíka molekulami kovu. Opísaná teória bez toho, aby bola v rozpore s odhalenými ukazovateľmi priemernej hustoty bielych trpaslíkov (rádovo 10^7 g/cm3), dokazuje, prečo sa kovy pozorujú v atmosfére hviezd, prečo meranie chem.zloženie prostriedkami možno dostupnými pre človeka a z akého dôvodu je rozloženie prvkov podobné tomu, ktoré je charakteristické pre našu planétu a iné skúmané objekty.
Teórie: má to nejaký prínos?
Opísaná myšlienka bola široko používaná ako základ na vysvetlenie, prečo sú obaly hviezd kontaminované kovmi, prečo sa objavili úlomkové disky. Navyše z nej vyplýva, že okolo trpaslíka existuje planetárny systém. Tento záver nie je prekvapením, pretože ľudstvo zistilo, že väčšina hviezd má svoje vlastné systémy planét. To je charakteristické tak pre tie, ktoré sú podobné Slnku, ako aj pre tie, ktoré sú oveľa väčšie ako jeho rozmery – menovite sa z nich tvoria bieli trpaslíci.
Témy nie sú vyčerpané
Aj keď vyššie opísanú teóriu považujeme za všeobecne akceptovanú a overenú, niektoré otázky pre astronómov zostávajú dodnes otvorené. Zvlášť zaujímavá je špecifickosť prenosu hmoty medzi diskami a povrchom nebeského telesa. Ako niektorí naznačujú, je to spôsobené žiarením. Teórie, ktoré týmto spôsobom označujú transport hmoty, sú založené na Poynting-Robertsonovom efekte. Tento jav, pod vplyvom ktorého sa častice pomaly pohybujú po obežnej dráhe okolo mladej hviezdy, postupne sa špirálovito otáčajú smerom k stredu a miznú v nebeskom telese. Pravdepodobne by sa tento efekt mal prejaviť v diskoch trosiek obklopujúcich hviezdy, to znamená, že molekuly, ktoré sú prítomné v diskoch, sa skôr či neskôr ocitnú vo výnimočnej blízkosti trpaslíka. Pevné látkypodliehajú vyparovaniu, vzniká plyn – taký v podobe diskov bol zaznamenaný okolo niekoľkých pozorovaných trpaslíkov. Skôr či neskôr sa plyn dostane na povrch trpaslíka a transportuje sem kovy.
Odhalené fakty odhadujú astronómovia ako významný prínos pre vedu, pretože naznačujú, ako vznikajú planéty. Je to dôležité, pretože objekty na výskum, ktoré priťahujú odborníkov, sú často nedostupné. Napríklad planéty obiehajúce okolo hviezd väčších ako Slnko sú na štúdium mimoriadne zriedkavé – na technickej úrovni, ktorú má naša civilizácia k dispozícii, je to príliš ťažké. Namiesto toho boli ľudia schopní študovať planetárne systémy po premene hviezd na trpaslíkov. Ak sa nám podarí vyvinúť sa týmto smerom, určite bude možné odhaliť nové údaje o prítomnosti planetárnych systémov a ich charakteristických vlastnostiach.
Bieli trpaslíci, v ktorých atmosfére boli detekované kovy, nám umožňujú získať predstavu o chemickom zložení komét a iných kozmických telies. V skutočnosti vedci jednoducho nemajú iný spôsob, ako posúdiť zloženie. Napríklad pri štúdiu obrovských planét je možné získať predstavu iba o vonkajšej vrstve, ale neexistujú žiadne spoľahlivé informácie o vnútornom obsahu. To platí aj pre náš „domáci“systém, keďže chemické zloženie možno študovať len z toho nebeského telesa, ktoré dopadlo na povrch Zeme alebo tam, kde bolo možné pristáť s výskumným zariadením.
Ako to ide?
Skôr či neskôr sa aj náš planetárny systém stane „domovom“bieleho trpaslíka. Ako hovoria vedci, hviezdne jadro máobmedzené množstvo hmoty na získanie energie a termonukleárne reakcie sa skôr či neskôr vyčerpajú. Plyn zmenšuje objem, hustota stúpa na tonu na centimeter kubický, pričom vo vonkajších vrstvách reakcia stále prebieha. Hviezda expanduje a stáva sa červeným obrom, ktorého polomer je porovnateľný so stovkami hviezd rovných Slnku. Keď vonkajšia škrupina prestane "horieť", do 100 000 rokov dôjde k rozptylu hmoty vo vesmíre, ktorý je sprevádzaný vytvorením hmloviny.
Jadro hviezdy, uvoľnené z obalu, znižuje teplotu, čo vedie k vytvoreniu bieleho trpaslíka. V skutočnosti je taká hviezda plyn s vysokou hustotou. Vo vede sa trpaslíci často označujú ako degenerované nebeské telesá. Ak by bola naša hviezda stlačená a jej polomer by bol len niekoľko tisíc kilometrov, no hmotnosť by bola úplne zachovaná, potom by sa tu odohrával aj biely trpaslík.
Funkcie a technické body
Uvažovaný typ kozmického telesa je schopný žiariť, ale tento proces sa vysvetľuje inými mechanizmami ako termonukleárnymi reakciami. Žiara sa nazýva zvyšková, vysvetľuje sa znížením teploty. Trpaslíka tvorí látka, ktorej ióny sú niekedy chladnejšie ako 15 000 K. Pre prvky sú charakteristické oscilačné pohyby. Postupne sa nebeské teleso stáva kryštalickým, jeho žiara slabne a trpaslík sa vyvinie do hneda.
Vedci identifikovali hmotnostný limit pre takéto nebeské teleso – do 1,4 hmotnosti Slnka, no nie viac ako tento limit. Ak hmotnosť prekročí túto hranicu,hviezda nemôže existovať. Je to spôsobené tlakom látky v stlačenom stave - je menší ako gravitačná príťažlivosť, ktorá látku stláča. Dochádza k veľmi silnému stlačeniu, ktoré vedie k vzniku neutrónov, látka je neutronizovaná.
Proces kompresie môže viesť k degenerácii. V tomto prípade vzniká neutrónová hviezda. Druhou možnosťou je pokračovanie stláčania, ktoré skôr či neskôr povedie k výbuchu.
Všeobecné parametre a funkcie
Bolometrická svietivosť uvažovanej kategórie nebeských telies vzhľadom na charakteristiku Slnka je menšia ako asi desaťtisíckrát. Polomer trpaslíka je menší ako stonásobok slnka, pričom hmotnosť je porovnateľná s charakteristikou hlavnej hviezdy našej planetárnej sústavy. Na určenie hmotnostného limitu pre trpaslíka sa vypočítal Chandrasekharov limit. Pri jej prekročení sa trpaslík vyvinie do inej podoby nebeského telesa. Fotosféra hviezdy pozostáva v priemere z hustej hmoty, odhadovanej na 105–109 g/cm3. V porovnaní s hlavnou sekvenciou je asi miliónkrát hustejšia.
Niektorí astronómovia veria, že iba 3 % všetkých hviezd v galaxii sú bieli trpaslíci a niektorí sú presvedčení, že každá desiata patrí do tejto triedy. Odhady sa veľmi líšia, pokiaľ ide o dôvod obtiažnosti pozorovania nebeských telies – sú ďaleko od našej planéty a žiaria príliš slabo.
Príbehy a mená
V roku 1785 sa v zozname dvojhviezd objavilo telo, ktoré Herschel pozoroval. Hviezda dostala meno 40 Eridani B. Práve ona je považovaná za prvého človeka videného z bielej kategórie.trpaslíci. V roku 1910 si Russell všimol, že toto nebeské teleso má extrémne nízku úroveň svietivosti, hoci farebná teplota je dosť vysoká. Postupom času sa rozhodlo, že nebeské telesá tejto triedy by mali byť rozdelené do samostatnej kategórie.
V roku 1844 sa Bessel pri štúdiu informácií získaných sledovaním Procyonu B, Sirius B, rozhodol, že sa oba z času na čas posunuli z priamky, čo znamená, že existujú blízke satelity. Takýto predpoklad sa zdal vedeckej komunite nepravdepodobný, keďže nebolo možné vidieť žiadny satelit, pričom odchýlky bolo možné vysvetliť iba nebeským telesom, ktorého hmotnosť je výnimočne veľká (podobne ako Sirius, Procyon).
V roku 1962 Clark pri práci s najväčším teleskopom, aký v tom čase existoval, identifikoval veľmi slabé nebeské teleso blízko Síria. Bol to on, kto sa volal Sirius B, rovnaký satelit, ktorý už dávno predtým navrhol Bessel. V roku 1896 štúdie ukázali, že Procyon mal aj satelit - nazýval sa Procyon B. Preto sa Besselove myšlienky plne potvrdili.
