Вечные подростки
Судьба звезды определяется ее массой, от которой зависит также и то, станет ли сконденсировавшийся из межзвездной материи комок вещества звездой. Для этого необходимо, чтобы в его недрах начались термоядерные реакции. Чем выше начальная масса газового шара, тем больше будет плотность и температура в его центре. Соответственно, есть некоторая критическая масса, при достижении которой происходит синтез элементов. Водород начинает превращаться в гелий. Если масса меньше критической, то придется, увы, забыть о звездной карьере. Объекты с массой ниже критической и являются бурыми карликами.
Термин brown dwarfs коричневый карлик ввела в 1975 году в своей диссертации Джилл Тартер (Jill Tarter). Сейчас Джилл работает в известном институте по поиску внеземных цивилизаций (SETI Institute). Поначалу такой термин вызывал возражения, но потом прижился. На русский язык его обычно переводят не дословно, а как «бурые карлики».
Интересно, что у бурых и белых карликов, несмотря на разные судьбы, есть важная общая черта. Вещество и в тех и в других находится в виде так называемого газа вырожденных электронов. В таком состоянии электроны находятся настолько близко друг к другу, что становятся важны квантовые законы. По той же причине, из-за которой электроны в атоме вынуждены занимать разные орбитали, в бурых и белых карликах возникает давление вырожденного газа, которое и ограничивает дальнейшее сжатие протозвезды и рост ее температуры. Впервые это предположил американский астрофизик Кумар в 1963 году, поэтому предельная масса, отличающая «активные» звезды от потухших и неродившихся звезд, иногда называется пределом Кумара. Он равен примерно 0,070,08 солнечной массы (точное значение зависит от химического состава).
Существование бурых карликов было предсказано более 40 лет назад. Однако в 60-е, 70-е и 80-е годы эти объекты «жили» только на бумаге. Первый был открыт только в 1995 году. Сейчас во многом благодаря наблюдениям на космическом телескопе «Хаббл» известно уже множество источников этого типа. Известны двойные бурые карлики, бурые карлики с планетами и другие. Бурых карликов достаточно много, поэтому они должны быть и в самой ближайшей солнечной окрестности. Однако, поскольку это слабые объекты, увидеть их нелегко особенно если они одиноки.
В январе 2006 года появилась статья Биллера (B.A. Biller) и его коллег, в которой рассказывается об открытии близкого бурого карлика. У слабой красной звездочки SCR 1845-6357, находящейся от нас на расстоянии всего около 13 световых лет, обнаружен спутник. Вот он-то и является бурым карликом. Нет больших сомнений в том, что должны быть и более близкие объекты этого типа, но их поиск опять же дело будущего.
Виды белых карликов
Некоторые белые карлики в шаровом скоплении NGC 6397, снимок Хаббла
Спектрально их разделяют по двум группам. Излучение белого карлика делят на наиболее распространенный «водородный» спектральный класс DA (до 80 % от общего количества), в котором отсутствуют спектральные линии гелия, и более редкий «гелиевый белый карлик» тип DB, в спектрах звезд которого отсутствуют водородные линии.
Американский астроном Ико Ибен предложил различные сценарии их происхождения: в виду того, что горение гелия в красных гигантах неустойчиво, периодически развивается слоевая гелиевая вспышка. Он удачно предположил механизм сброса оболочки в разные стадии развития гелиевой вспышки – на ее пике и в период между двумя вспышками. Образование его зависит от механизма сброса оболочки соответственно.
Вырожденный газ
До того как Ральф Фаулер в 1922 году в своей работе «Плотная материя» дал объяснение характеристикам плотности и давления внутри белых карликов, высокая плотность и физические особенности такого строения казались парадоксальными. Фаулер предположил, что в отличие от звезд главной последовательности, для которых уравнение состояния описывается свойствами идеального газа, в белых карликах оно определяется свойствами вырожденного газа.
График зависимости радиуса белого карлика от его массы
Обратите внимание: ультрарелятивистский предел ферми-газа совпадает с пределом Чандрасекара. Вырожденный газ образуется, когда расстояние между его частицами становится меньше волны де-Бройля, а значит, что на его свойствах начинают сказываться квантово-механические эффекты, вызванные тождественностью частиц газа
Вырожденный газ образуется, когда расстояние между его частицами становится меньше волны де-Бройля, а значит, что на его свойствах начинают сказываться квантово-механические эффекты, вызванные тождественностью частиц газа.
В белых карликах, из-за огромных плотностей, оболочки атомов разрушаются под силой внутреннего давления, и вещество становится электронно-ядерной плазмой, причем электронная часть описывается свойствами вырожденного электронного газа, аналогичными поведению электронов в металлах.
Эволюция
Гелиевая вспышка и сброс внешних оболочек красным гигантом продвигает звезду по диаграмме Герцшпрунга-Рассела, обуславливая его превалирующий химический состав. Жизненный цикл белого карлика, после этого, остается стабилен до самого своего остывания, когда звезда теряет свою светимость и становится невидимой, входя в стадию так называемого «черного карлика», — конечный результат эволюции, хотя в современной литературе этот термин используется все реже.
Перетекание вещества со звезды на белый карлик, который из за низкой светимости не виден
Присутствие рядом звездных компаньонов продляет их жизнь из-за падения вещества на поверхность через формирование аккреционного диска. Особенности аккреции вещества в парных системах могут приводить к накоплению вещества на поверхности белых карликов, что в результате приводит к взрыву новой или сверхновой звезды (в случае особо массивных) типа Ia.
Взрыв сверхновой в представлении художника
В случае если в системе «белый карлик – красный карлик» аккреция нестационарна, результатом может быть своеобразный взрыв белого карлика (например U Gem (UG)) или же новоподобных переменных звезд, взрыв которых носит катастрофический характер.
Остаток сверхновой SN 1006 — представляет собой взорвавшейся белый карлик, который находился в двойной системе. Он постепенно захватывал вещество звезды-компаньона и возрастающая масса спровоцировала термоядерный взрыв, который разорвал карлика
Положение на диаграмме Герцшпрунга-Рассела
Положение белых карликов на диаграмме Герцшпрунга-Рассела
На диаграмме они занимают левую нижнюю часть, принадлежа ветви звезд, покинувших главную последовательность из состояния красных гигантов.
Здесь находится область горячих звезд с низкой светимостью, которая является второй по численности среди звезд наблюдаемой Вселенной.
Листинг
Первые открытия
| характерная черта | звезда | датированный | данные | Комментарии | заметки | Рекомендации |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Первое открытие | Сириус Б | 1852 г. | Сириус B также ближайший белый карлик (по состоянию на 2005 год) | |||
| Первое открытие в двоичной системе | Сириус Б | 1852 г. | Система Сириус | |||
| Первая двойная система из белых карликов | LDS 275 | 1944 г. | Система L 462-56 | |||
| Только первый | ||||||
| Первое открытие в планетной системе | ||||||
| Первый белый карлик с планетой | WD B1620-26 | 2003 г. | с планетой PSR B1620-26 b | |||
| Первый белый карлик с планетой, вращающейся вокруг него | По состоянию на 2013 год не было обнаружено ни одной планеты, вращающейся вокруг белого карлика. |
Экстремальный
| характерная черта | звезда | датированный | данные | Комментарии | заметки | Рекомендации |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ближайший | Сириус Б | 1852 г. | ∼8.6 al (∼2.64 пк ) | Сириус B также является ближайшим обнаруженным белым карликом. | ||
| Самый далекий |
SN UDS10Wil ( предок ) |
2013 | г = 1,914 | С. Н. Уилсон (in) — сверхновая типа Ia , прародителем которой является белый карлик. | ||
| Старейший | ||||||
| Самый молодой | ||||||
| С самой высокой температурой поверхности | КПД 0005 + 5106 H1504 + 65 | 2008 2011 | 200000 Кельвинов ( K ) | Два белых карлика связаны с температурой поверхности 200000 К . | ||
| Самая низкая температура поверхности | 2018 г. | 2700 ° С | ||||
| Самый яркий | ||||||
| Наименее светящийся | ||||||
| Самый массовый | ||||||
| Наименее массовый | ||||||
| Самый объемный | ||||||
| Наименьший | ||||||
| Самый старый и самый холодный с околозвездным диском | ЛСПМ J0207 + 3331 | 2018 г. | 3 × 10 9 а
6 120 К |
Ближайший
| звезда | расстояние | Комментарии | заметки | Рекомендации |
|---|---|---|---|---|
| Сириус Б | ∼8.58 al (∼2.63 пк ) | Сириус B также является первым обнаруженным белым карликом. | ||
| Процион Б | ∼11.43 al (∼3.5 пк ) | Часть системы Procyon . | ||
| звезда ван Маанена | ∼14.04 al (∼4.3 пк ) | |||
| GJ 440 | ∼15.09 al (∼4.63 пк ) | |||
| 40 Эридани Б | ∼16.25 al (∼4.98 пк ) | Часть системы 40 Эридана . | ||
| Штейн 2051 B | ∼18.06 al (∼5.54 пк ) | Часть системы Stein 2051 (en) . | ||
| LP 44-113 | ∼20.0 al (∼6.13 пк ) | |||
| Г 99-44 | ∼20.9 al (∼6.41 пк ) | |||
| L 97-12 | ∼25.8 al (∼7.91 пк ) | |||
| Волк 489 | ∼26.7 al (∼8.19 пк ) |
Освенцим и эксперименты Доктора Смерть
По прибытии в Освенцим (Аушвиц) Овицы уже на платформе привлекли внимание работников лагеря, когда Мики Овиц стал раздавать рекламные открытки труппы. Всего в лагерь приехали 12 членов семьи — от 15-месячного ребенка до 58-летней женщины
О них сообщили доктору Менгеле, который поселил Овицев отдельно от остальных узников и освободил от работ. Менгеле, в частности, заинтересовался фактом наличия в семье как карликов, так и людей с нормальным ростом. Позже к их семье присоединилась семья Шломовиц (родители и шестеро детей) и назвалась их родственниками (а сами Овицы их не выдавали).
Следуя завету родителей, Овицы держались вместе. Лишь один из братьев обычного роста решил рискнуть и сбежал
Менгеле, который устроил в Освенциме «человеческий виварий», не испытывал угрызений совести за пытки, издевательства и убийства огромного количества людей. Недаром он получил свое прозвище — Доктор Смерть. Его энтузиазм, амбиции и жестокость отличали его даже от других врачей, работавших в лагерях смерти. Одной из первых задач в его карьере было справиться с эпидемией тифа в женском бараке. Он решил эту проблему, отправив всех 498 женщин в газовую камеру. Он также поручил убить семью цыган, чтобы исследовать их глазные яблоки. Впрочем, в отношении семьи Овиц у Менгеле были другие планы.
Йозеф Менгеле с коллегой в Институте антропологии, генетики человека и евгеники им. Кайзера Вильгельма. Конец 1930-х годов
На следующий день после прибытия в Освенцим маленькие люди попали в лабораторию доктора. Выглядела она как самая обычная клиника — врачи в белых халатах, ничего экстраординарного. Им показалось, что все, чего хотел персонал, — взять у Овицев анализ крови. Мизерная плата за то, что им сохранили жизнь. Однако кровопускания повторялись каждую неделю наряду с рентгеновским облучением.
Для наблюдения над карликами Менгеле устроил в лагере специальный квартал, создал для них несколько лучшие санитарные условия и питание, чем для остальных узников (после того как увидел, что они слабеют от обычного лагерного питания), а также позволил им оставаться в своей одежде и не сбривать волосы. Членов семьи более высокого роста он заставил носить карликов на эксперименты.
Как правило, эксперименты нацистов над людьми приводили к смерти, обезображиванию или потере дееспособности
Овицы, как и многие другие заключенные лагеря, подвергались различным экспериментам. Сотрудники Менгеле брали у них в большом количестве кровь на анализы, извлекали костный мозг, вырывали зубы и волосы в поисках признаков наследственных заболеваний, подвергали радиоактивному облучению, вводили бактерии, лили горячую и холодную воду им в уши и закапывали в глаза капли, ослепляющие их на полдня. Гинекологи обследовали замужних женщин и вводили им в матку обжигающую жидкость неизвестного химического состава.
Худшим испытаниям подвергся 18-месячный Шимшон Овиц, потому что у него были родители нормального роста, а сам он был рожден преждевременно; Менгеле брал у него кровь из вен за ушами и из пальцев. Овицы также видели, как два новоприбывших карлика были убиты и сварены, чтобы выставить их кости в музее.
33-летний доктор Йозеф Менгеле с сотрудниками в Освенциме
Вероятно, Менгеле сам не знал, что искал. В его бумагах не нашлось упоминаний о том, что он хотел обнаружить ген карликовости, — только рутинные анализы и результаты обследования почек и печени. Психиатры засыпали лилипутов вопросами, чтобы выяснить уровень их интеллекта. Врачи неоднократно проверяли их на сифилис. Дору Овиц, жену старшего из братьев, Аврама, Менгеле подверг допросу о ее сексуальной жизни с мужем.
Судя по воспоминаниям самих Овицев, Менгеле к ним привязался. По рассказам одной из сестер, Менгеле называл их по именам семерых гномов из диснеевского мультфильма. По иронии судьбы, одна из заключенных Освенцима художница Дина Готтлиб, делавшая в том числе документальные зарисовки семи лилипутов, после войны вышла замуж за ведущего мультипликатора «Белоснежки» Арта Бэббита.
Астрономические феномены с участием белых карликов
Рентгеновское излучение белых карликов
Температура поверхности молодых белых карликов — изотропных ядер звёзд после сброса оболочек, очень высока — более 2·105 K, однако достаточно быстро падает за счёт нейтринного охлаждения и излучения с поверхности. Такие очень молодые белые карлики наблюдаются в рентгеновском диапазоне (например, наблюдения белого карлика HZ 43 спутником ROSAT).
Температура поверхности наиболее горячих белых карликов — 7·104 K, наиболее холодных — ~5·10³ K.
Особенностью излучения белых карликов в рентгеновском диапазоне является тот факт, что основным источником рентгеновского излучения для них является фотосфера, что резко отличает их от «нормальных» звёзд: у последних в рентгене излучает корона, разогретая до нескольких миллионов кельвинов, а температура фотосферы слишком низка для испускания рентгеновского излучения (см. рис.для них 9).
В отсутствие аккреции источником светимости белых карликов является запас тепловой энергии ионов в их недрах, поэтому их светимость зависит от возраста. Количественную теорию остывания белых карликов построил в конце 1940-х гг. С. А. Каплан.
Аккреция на белые карлики в двойных системах
Файл:SN1572.Companion.jpg
Рис. 10. Слева — изображение в рентгеновском диапазоне остатков сверхновой SN 1572 типа Ia, наблюдавшейся Тихо Браге в 1572 г.. Справа — фотография в оптическом диапазоне, отмечен бывший компаньон взорвавшегося белого карлика
- Нестационарная аккреция на белые карлики в случае, если компаньоном является массивный красный карлик, приводит к возникновению карликовых новых (звёзд типа U Gem (UG)) и новоподобных катастрофических переменных звёзд.
- Аккреция на белые карлики, обладающие сильным магнитным полем, направляется в район магнитных полюсов белого карлика, и циклотронный механизм излучения аккрецирующей плазмы в околополярных областях магнитного поля карлика вызывает сильную поляризацию излучения в видимой области (поляры и промежуточные поляры).
- Аккреция на белые карлики богатого водородом вещества приводит к его накоплению на поверхности (состоящей преимущественно из гелия) и разогреву до температур реакции синтеза гелия, что, в случае развития тепловой неустойчивости, приводит к взрыву, наблюдаемому как вспышка новой звезды.
- Достаточно длительная и интенсивная аккреция на массивный белый карлик приводит к превышению его массой предела Чандрасекара и гравитационному коллапсу, наблюдаемому как вспышка сверхновой типа Ia (см. рис. 10).
Предыстория
Семья Овиц была родом из Румынии. Отец по имени Шимшон был карликом, что, впрочем, не помешало ему дважды быть женатым на высоких женщинах. От них у него и родилось десять детей, семеро из которых были лилипутами, а еще трое — нет.
Шимшон умер в 1923 году, когда младшей дочери, Перле, еще не исполнилось двух лет. Его вторая жена Батья осталась воспитывать детей одна. Она прекрасно понимала, что детям-карликам придется в жизни нелегко, а потому решила с раннего детства учить их музыке, чтобы они впоследствии могли заработать на жизнь.
Дети Овиц оказались очень талантливыми, и вскоре они уже организовали семейный ансамбль, там были гитара и скрипка, барабаны и виолончель и другие инструменты. В семейных концертах принимали участие не только дети-карлики, но и все многочисленное семейство.
Умирая, Батья завещала детям всегда держаться друг друга и ни в коем случае не расставаться. И все Овицы всегда были вместе. Погиб лишь один из братьев, который, к слову, покинул остальных.
Семья Овиц успешно гастролировала по Румынии, Венгрии, Чехословакии в 1930-40-е гг.
Коллективы лилипутов в довоенной Европе пользовались успехом. Овицы в начале 1930-х годов стали выступать музыкальным коллективом, назвав его «Труппа лилипутов». Используя инструменты уменьшенных размеров, они играли в 30-40-х годах в Румынии, Венгрии и Чехословакии и стали эстрадными звездами.
Овицы пели на идише, венгерском, румынском, русском и немецком языках. Между гастролями они проживали с супругами все в одном доме, выполняя наказ матери не разлучаться: каждый раз, когда кто-то женился или выходил замуж, супруг начинал жить с ними, помогая труппе. Вышедшим замуж лилипуткам врачи запрещали рожать, но у одного из лилипутов родилась дочь без отклонений: генетическое заболевание Шимшона ей не передалось. У семьи был свой автомобиль, первый в округе.
Когда в сентябре 1940 года Северная Трансильвания отошла к Венгрии (союзнице нацистской Германии), на ее территории вступили в действие новые расовые законы: евреям запрещалось выступать перед неевреями. Однако Овицам удалось получить документы, где не упоминалось их еврейское происхождение, и таким образом они продолжали давать концерты до 1944 года. При этом они по-прежнему соблюдали шаббат, при необходимости сказываясь больными, чтобы не проводить в этот день концерты.
В 1944 году Венгрию оккупировали немецкие войска; в то же время Овицам больше не удавалось скрывать свое происхождение, и они были вынуждены носить нагрудные желтые звезды. 15 апреля немцы собрали их в числе других еврейских жителей в синагоге для дальнейшей транспортировки в лагерь. Там их увидел немецкий офицер, переселил их в квартиру и в последующие вечера заставил развлекать своих сослуживцев. Это продолжалось до 15 мая, когда все двенадцать членов семьи были отправлены в Освенцим.
Сестры Перла и Элизабет Овиц
Физика и свойства белых карликов
Как уже упоминалось, массы белых карликов составляют порядка солнечной, но размеры составляют лишь сотую (и даже меньше) часть солнечного радиуса, т. е. плотность вещества в белых карликах чрезвычайно высока и составляет г/см³. При таких плотностях электронные оболочки атомов разрушаются и вещество представляет собой электронно-ядерную плазму, причём её электронная составляющая представляет собой вырожденный электронный газ. Давление такого газа подчиняется следующей зависимости:
где — его плотность, т. е., в отличие от уравнения Клапейрона (уравнения состояния идеального газа), для вырожденного электронного газа температура в уравнение состояния не входит — его давление от температуры не зависит и, следовательно, строение белых карликов не зависит от температуры. Таким образом, для белых карликов, в отличие от звёзд главной последовательности и гигантов, не существует зависимость масса—светимость.
Зависимость масса—радиус и предел Чандрасекара
Файл:WhiteDwarf.Mass-Luminosity.Diagram.PNG
Рис. 8. Зависимость масса—радиус для белых карликов. Вертикальная асимптота соответствует пределу Чандрасекара.
Вышеприведённое уравнение состояния действительно для холодного электронного газа, но температура даже в несколько миллионов градусов мала по сравнению с характерной ферми-энергией электронов (). Вместе с тем, при росте плотности вещества из-за запрета Паули (два электрона не могут иметь одно квантовое состояние, т. е. одинаковую энергию и спин), энергия и скорость электронов возрастают настолько, что начинают действовать эффекты теории относительности — вырожденный электронный газ становится релятивистским. Зависимость давления релятивистского вырожденного электронного газа от плотности уже другая:
Для такого уравнения состояния складывается интересная ситуация. Средняя плотность белого карлика
,
где — масса, а — радиус белого карлика.
Тогда давление
и сила давления, противодействующая гравитации и равная перепаду давления по глубине:
Гравитационные силы, противодействующие давлению:
,
т. е., хотя перепад давления и гравитационные силы одинаково зависят от радиуса, но по разному зависят от массы — как и соответственно. Следствием такого соотношения зависимостей является существование некоторого значения массы звезды, при которой они уравновешиваются, и, поскольку гравитационные силы зависят от массы сильнее, чем перепад давления, при увеличении массы белого карлика его радиус уменьшается (см. Рис. 8). Другим следствием является то, что если масса превышает некий предел, то звезда сколлапсирует.
Таким образом, для белых карликов существует верхний предел массы (предел Чандрасекара). Интересно, что для наблюдаемых белых карликов существует и аналогичный нижний предел: поскольку скорость эволюции звёзд пропорциональна их массе, то мы можем наблюдать как маломассивные белые карлики лишь остатки тех звёзд, которые успели проэволюционировать за время от начального периода звездообразования Вселенной до наших дней.
Особенности спектров
Спектры белых карликов сильно отличаются от спектров звёзд главной последовательности и гигантов. Главная их особенность — небольшое число сильно уширенных линий поглощения, а некоторые белые карлики (спектральный класс DC) вообще не содержат заметных линий поглощения. Малое число линий поглощения в спектрах звёзд этого класса объясняется очень сильным уширением линий: только самые сильные линии поглощения, уширяясь, имеют достаточную глубину, чтобы остаться заметными, а слабые, из-за малой глубины, практически сливаются с непрерывным спектром.
Особенности спектров белых карликов объясняются несколькими факторами. Во-первых, из-за высокой плотности белых карликов ускорение свободного падения на их поверхности составляет ~108 см/с² (или ~1000 Км/с²), что, в свою очередь, приводит к малым протяжённостям их фотосфер, огромным плотностям и давлениям в них и уширению линий поглощения. Другим следствием сильного гравитационного поля на поверхности является гравитационное красное смещение линий в их спектрах, эквивалентное скоростям в несколько десятков км/с. Во-вторых, у некоторых белых карликов, обладающих сильными магнитными полями, наблюдаются сильная поляризация излучения и расщепление спектральных линий вследствие эффекта Зеемана.
Почему чем массивнее, тем быстрее умирают звезды?
По правде говоря, это действительно так. Хотя вроде бы, чем больше масса, тем дольше должны протекать все процессы. Однако со светилами это не так. Ведь горят они сильнее других, то есть более массивные вырабатывают больше энергии. А значит и тратят на неё значительную часть веществ, из которых состоят. В результате запасы водорода, гелия и других веществ в них иссякают быстрее, нежели в менее массивных телах. Собственно говоря, нет ничего удивительного в том, что к такой звезде смерть подобралась намного быстрее и стремительнее.
Эта Киля (одна из самых массивных звёзд)
По данным учёных, самые маленькие светила живут дольше, чем их большие сородичи. Как правило, наиболее продолжительное существование у красных и тусклых представителей. Между прочим возраст таких экземпляров может соответствовать возрасту Вселенной. Иногда они могут вспыхивать, а затем гаснуть, но не надолго.
Если сравнивать с нашим Солнцем, то похожие на него (жёлтые карлики) проживают жизнь немного короче меньших товарищей. Правда, их судьба более стабильная, поскольку им свойственна относительно постоянная светимость.
А вот светилам, которые в несколько раз массивнее Солнца, учёные пророчат яркое завершение своего существования.
