Bílý trpaslík je hvězda, která je v našem vesmíru docela běžná. Vědci to nazývají výsledkem evoluce hvězd, konečnou fází vývoje. Celkem existují dva scénáře úpravy hvězdného tělesa, v jednom případě je konečným stupněm neutronová hvězda, ve druhém černá díra. Trpaslíci jsou posledním evolučním krokem. Mají kolem sebe planetární systémy. Vědci to dokázali určit zkoumáním vzorků obohacených kovy.
Pozadí
Bílí trpaslíci jsou hvězdy, které přitáhly pozornost astronomů v roce 1919. Poprvé takové nebeské těleso objevil vědec z Nizozemska Maanen. Specialista učinil na svou dobu poněkud netypický a nečekaný objev. Trpaslík, kterého viděl, vypadal jako hvězda, ale měl nestandardně malé rozměry. Spektrum však bylo, jako by to bylo masivní a velké nebeské těleso.
Důvody tak zvláštního jevu přitahovaly vědce už nějakou dobu, a tak bylo vynaloženo velké úsilí na studium struktury bílých trpaslíků. Průlom byl učiněn, když vyjádřili a dokázali předpoklad o hojnosti různých kovových struktur v atmosféře nebeského tělesa.
Je nutné upřesnit, že kovy jsou v astrofyzice všechny druhy prvků, jejichž molekuly jsou těžší než vodík, helium a jejich chemické složení je progresivnější než u těchto dvou sloučenin. Helium, vodík, jak se vědcům podařilo prokázat, jsou v našem vesmíru rozšířenější než jakékoli jiné látky. Na základě toho bylo rozhodnuto označit vše ostatní jako kovy.
Vývoj motivu
Přestože bílí trpaslíci velmi odlišní velikostí od Slunce byli poprvé spatřeni ve dvacátých letech, teprve o půl století později lidé zjistili, že přítomnost kovových struktur ve hvězdné atmosféře není typickým jevem. Jak se ukázalo, při zařazení do atmosféry se kromě dvou nejběžnějších látek, těžších, přesunou do hlubších vrstev. Těžké látky, které patří mezi molekuly hélia, vodíku, se nakonec musí přesunout do jádra hvězdy.
Tento proces měl několik důvodů. Poloměr bílého trpaslíka je malý, taková hvězdná tělesa jsou velmi kompaktní - ne nadarmo dostala své jméno. V průměru je poloměr srovnatelný s poloměrem Země, zatímco hmotnost je podobná hmotnosti hvězdy, která osvětluje náš planetární systém. Tento poměr rozměrů a hmotnosti způsobuje mimořádně velké gravitační povrchové zrychlení. V důsledku toho dochází k ukládání těžkých kovů ve vodíkové a heliové atmosféře jen několik pozemských dní poté, co molekula vstoupí do celkové plynné hmoty.
Funkce a trvání
Někdy vlastnosti bílých trpaslíkůjsou takové, že proces sedimentace molekul těžkých látek může být zpožděn na dlouhou dobu. Nejpříznivější možností jsou z pohledu pozorovatele ze Země procesy, které trvají miliony, desítky milionů let. Přesto jsou tato časová rozpětí výjimečně krátká ve srovnání s životností samotného hvězdného těla.
Vývoj bílého trpaslíka je takový, že většina útvarů, které v současnosti člověk pozoruje, je stará již několik set milionů pozemských let. Pokud to porovnáme s nejpomalejším procesem absorpce kovů jádrem, je rozdíl více než významný. Detekce kovu v atmosféře určité pozorovatelné hvězdy nám proto umožňuje s jistotou dojít k závěru, že těleso původně nemělo takové složení atmosféry, jinak by všechny kovové inkluze dávno zmizely.
Teorie a praxe
Výše popsaná pozorování a také informace shromážděné po mnoho desetiletí o bílých trpaslících, neutronových hvězdách a černých dírách naznačovaly, že atmosféra přijímá kovové inkluze z vnějších zdrojů. Vědci nejprve usoudili, že toto je médium mezi hvězdami. Nebeské těleso se pohybuje takovou hmotou, nanáší médium na svůj povrch, čímž obohacuje atmosféru o těžké prvky. Ale další pozorování ukázala, že taková teorie je neudržitelná. Jak odborníci upřesnili, pokud by ke změně atmosféry došlo tímto způsobem, trpaslík by přijímal hlavně vodík zvenčí, protože prostředí mezi hvězdami bylo ve své hmotě tvořeno vodíkem amolekuly helia. Pouze malé procento média tvoří těžké sloučeniny.
Pokud by se teorie vytvořená z primárních pozorování bílých trpaslíků, neutronových hvězd a černých děr ospravedlnila, trpaslíci by se skládali z vodíku jako nejlehčího prvku. To by neumožnilo existenci ani heliových nebeských těles, protože hélium je těžší, což znamená, že by ho narůstání vodíku zcela skrylo před okem vnějšího pozorovatele. Na základě přítomnosti héliových trpaslíků došli vědci k závěru, že mezihvězdné médium nemůže sloužit jako jediný a dokonce ani hlavní zdroj kovů v atmosféře hvězdných těles.
Jak vysvětlit?
Vědci, kteří studovali černé díry, bílé trpaslíky v 70. letech minulého století, navrhli, že kovové inkluze lze vysvětlit pádem komet na povrch nebeského tělesa. Je pravda, že kdysi byly takové nápady považovány za příliš exotické a nedostaly podporu. To bylo z velké části způsobeno tím, že lidé ještě nevěděli o přítomnosti jiných planetárních systémů - byla známa pouze naše "domovská" sluneční soustava.
Významný krok vpřed ve studiu černých děr, bílých trpaslíků, byl učiněn na konci příští, osmé dekády minulého století. Vědci mají k dispozici zvláště výkonné infračervené přístroje pro pozorování hlubin vesmíru, které umožnily detekovat infračervené záření v okolí jednoho ze známých astronomů bílých trpaslíků. To bylo odhaleno právě kolem trpaslíka, jehož atmosféra obsahovala kovzahrnutí.
Infračervené záření, které umožnilo odhadnout teplotu bílého trpaslíka, také vědcům prozradilo, že hvězdné tělo je obklopeno nějakou látkou, která dokáže pohltit hvězdné záření. Tato látka je zahřátá na specifickou teplotní úroveň, nižší než u hvězdy. To umožňuje postupně přesměrovat absorbovanou energii. Záření se vyskytuje v infračerveném rozsahu.
Věda jde vpřed
Spektra bílého trpaslíka se stala předmětem studia pokročilých myslí světa astronomů. Jak se ukázalo, z nich můžete získat poměrně hodně informací o vlastnostech nebeských těles. Zvláště zajímavá byla pozorování hvězdných těles s přebytkem infračerveného záření. V současnosti se podařilo identifikovat asi tři desítky systémů tohoto typu. Jejich hlavní procento bylo studováno pomocí nejvýkonnějšího Spitzerova dalekohledu.
Vědci při pozorování nebeských těles zjistili, že hustota bílých trpaslíků je výrazně menší než tento parametr, charakteristický pro obry. Bylo také zjištěno, že přebytek infračerveného záření je způsoben přítomností disků tvořených specifickou látkou, která dokáže absorbovat energetické záření. Je to to, co potom vyzařuje energii, ale v jiném rozsahu vlnových délek.
Disky jsou výjimečně blízko a do určité míry ovlivňují hmotnost bílých trpaslíků (která nemohou překročit Chandrasekharův limit). Vnější poloměr se nazývá detritální disk. Bylo navrženo, že se vytvořil během ničení nějakého těla. V průměru je poloměr co do velikosti srovnatelný se Sluncem.
Pokud budete věnovat pozornost našemu planetárnímu systému, je jasné, že relativně blízko „domova“můžeme pozorovat podobný příklad – jedná se o prstence obklopující Saturn, jejichž velikost je rovněž srovnatelná s poloměrem naše hvězda. Vědci postupem času zjistili, že tato vlastnost není jediná, kterou mají trpaslíci a Saturn společnou. Například planeta i hvězdy mají velmi tenké disky, které nejsou průhledné, když se snaží prosvítit světlem.
Závěry a vývoj teorie
Protože prstence bílých trpaslíků jsou srovnatelné s prstenci, které obklopují Saturn, bylo možné formulovat nové teorie, které vysvětlují přítomnost kovů v atmosféře těchto hvězd. Astronomové vědí, že prstence kolem Saturnu jsou tvořeny slapovým narušením některých těles, která jsou dostatečně blízko k planetě, aby byla ovlivněna jejím gravitačním polem. V takové situaci si vnější tělo nedokáže udržet svou vlastní gravitaci, což vede k porušení integrity.
Asi před patnácti lety byla představena nová teorie, která vysvětlovala vznik prstenců bílých trpaslíků podobným způsobem. Předpokládalo se, že původně byl trpaslík hvězdou ve středu planetárního systému. Nebeské těleso se postupem času vyvíjí, což trvá miliardy let, bobtná, ztrácí schránku a tím vzniká trpaslík, který se postupně ochlazuje. Mimochodem, barva bílých trpaslíků se vysvětluje právě jejich teplotou. U některých se to odhaduje na 200 000 K.
Systém planet v průběhu takového vývoje může přežít, což vede kexpanze vnější části soustavy současně s poklesem hmotnosti hvězdy. V důsledku toho vzniká velký systém planet. Planety, asteroidy a mnoho dalších prvků přežívá vývoj.
Co bude dál?
Pokrok systému může vést k jeho nestabilitě. To vede k bombardování prostoru obklopujícího planetu kameny a asteroidy částečně vylétají ze systému. Některé z nich se však přesunou na oběžnou dráhu a dříve nebo později se ocitnou ve slunečním poloměru trpaslíka. Ke srážkám nedochází, ale slapové síly vedou k narušení celistvosti těla. Shluk takových asteroidů má tvar podobný prstencům obklopujícím Saturn. Kolem hvězdy se tak vytvoří disk trosek. Hustota bílého trpaslíka (asi 10^7 g/cm3) a jeho detritálního disku se výrazně liší.
Popsaná teorie se stala poměrně úplným a logickým vysvětlením řady astronomických jevů. Skrze něj lze pochopit, proč jsou disky kompaktní, protože hvězda nemůže být za celou dobu své existence obklopena diskem o poloměru srovnatelném s poloměrem Slunce, jinak by takové disky byly nejprve uvnitř jejího těla.
Vysvětlením vzniku disků a jejich velikosti lze pochopit, odkud pochází zvláštní zásoba kovů. Mohlo by to skončit na povrchu hvězdy a kontaminovat trpaslíka molekulami kovu. Popsaná teorie, aniž by byla v rozporu s odhalenými ukazateli průměrné hustoty bílých trpaslíků (řádově 10^7 g/cm3), dokazuje, proč jsou kovy pozorovány v atmosféře hvězd, proč měření chemickésložení prostředky možná dostupnými pro člověka a z jakého důvodu je rozložení prvků podobné tomu, které je charakteristické pro naši planetu a další studované objekty.
Teorie: má to nějaký přínos?
Popsaná myšlenka byla široce používána jako základ pro vysvětlení, proč jsou obaly hvězd kontaminovány kovy, proč se objevily disky trosek. Navíc z něj vyplývá, že kolem trpaslíka existuje planetární systém. Tento závěr není nijak překvapivý, protože lidstvo zjistilo, že většina hvězd má své vlastní systémy planet. To je charakteristické jak pro ty, které jsou podobné Slunci, tak pro ty, které jsou mnohem větší než jeho rozměry – jmenovitě se z nich tvoří bílí trpaslíci.
Témata nejsou vyčerpána
I když považujeme výše popsanou teorii za obecně přijatou a ověřenou, některé otázky pro astronomy zůstávají dodnes otevřené. Zvláště zajímavá je specifičnost přenosu hmoty mezi disky a povrchem nebeského tělesa. Jak někteří naznačují, je to způsobeno radiací. Teorie, které tímto způsobem popisují transport hmoty, jsou založeny na Poynting-Robertsonově jevu. Tento jev, pod jehož vlivem se částice pomalu pohybují po oběžné dráze kolem mladé hvězdy, postupně se spirálovitě stáčejí do středu a mizí v nebeském tělese. Pravděpodobně by se tento efekt měl projevit v troskových discích obklopujících hvězdy, to znamená, že molekuly, které jsou přítomné v discích, se dříve nebo později ocitnou ve výjimečné blízkosti trpaslíka. Pevné látkypodléhají vypařování, vzniká plyn - takový v podobě disků byl zaznamenán kolem několika pozorovaných trpaslíků. Dříve nebo později se plyn dostane na povrch trpaslíka a transportuje sem kovy.
Odhalená fakta odhadují astronomové jako významný přínos pro vědu, protože naznačují, jak planety vznikají. To je důležité, protože objekty pro výzkum, které přitahují specialisty, jsou často nedostupné. Například planety obíhající kolem hvězd větších než Slunce jsou extrémně vzácné ke studiu – na technické úrovni, kterou má naše civilizace k dispozici, je to příliš obtížné. Místo toho byli lidé schopni studovat planetární systémy po přeměně hvězd na trpaslíky. Pokud se nám podaří vyvinout tímto směrem, bude jistě možné odhalit nová data o přítomnosti planetárních systémů a jejich charakteristických vlastnostech.
Bílí trpaslíci, v jejichž atmosféře byly detekovány kovy, nám umožňují získat představu o chemickém složení komet a dalších vesmírných těles. Vědci ve skutečnosti prostě nemají jiný způsob, jak složení posoudit. Například při studiu obřích planet lze získat představu pouze o vnější vrstvě, ale neexistují žádné spolehlivé informace o vnitřním obsahu. To platí i pro náš „domovský“systém, protože chemické složení lze studovat pouze z toho nebeského tělesa, které dopadlo na povrch Země nebo kde bylo možné přistát s výzkumným zařízením.
Jak to jde?
Dříve nebo později se náš planetární systém také stane „domovem“bílého trpaslíka. Jak říkají vědci, hvězdné jádro anoomezené množství hmoty k získání energie a dříve či později jsou termonukleární reakce vyčerpány. Plyn ubývá na objemu, hustota stoupá na tunu na centimetr krychlový, přičemž ve vnějších vrstvách reakce stále probíhá. Hvězda expanduje a stává se červeným obrem, jehož poloměr je srovnatelný se stovkami hvězd rovných Slunci. Když vnější obal přestane "hořet", během 100 000 let dojde k rozptýlení hmoty ve vesmíru, což je doprovázeno vznikem mlhoviny.
Jádro hvězdy, uvolněné z obalu, snižuje teplotu, což vede ke vzniku bílého trpaslíka. Ve skutečnosti je taková hvězda plynem s vysokou hustotou. Ve vědě jsou trpaslíci často označováni jako degenerovaná nebeská tělesa. Pokud by byla naše hvězda stlačena a její poloměr by byl jen pár tisíc kilometrů, ale hmotnost by byla zcela zachována, pak by se zde odehrával i bílý trpaslík.
Funkce a technické body
Uvažovaný typ kosmického tělesa je schopen zářit, ale tento proces se vysvětluje jinými mechanismy než termonukleárními reakcemi. Záře se nazývá zbytková, vysvětluje se poklesem teploty. Trpaslík je tvořen látkou, jejíž ionty jsou někdy chladnější než 15 000 K. Pro prvky jsou charakteristické kmitavé pohyby. Postupně se nebeské těleso stává krystalickým, jeho záře slábne a trpaslík se vyvine do hnědého.
Vědci identifikovali hmotnostní limit pro takové nebeské těleso - až 1,4 hmotnosti Slunce, ale ne více než tento limit. Pokud hmotnost překročí tento limit,hvězda nemůže existovat. To je způsobeno tlakem látky ve stlačeném stavu - je menší než gravitační přitažlivost, která látku stlačuje. Dochází k velmi silné kompresi, která vede ke vzniku neutronů, látka je neutronizována.
Proces komprese může vést k degeneraci. V tomto případě vzniká neutronová hvězda. Druhou možností je pokračující komprese, která dříve nebo později vede k explozi.
Obecné parametry a funkce
Bolometrická svítivost uvažované kategorie nebeských těles vzhledem k charakteristice Slunce je menší než asi desettisíckrát. Poloměr trpaslíka je menší než stonásobek Slunce, přičemž hmotnost je srovnatelná s charakteristikou hlavní hvězdy naší planetární soustavy. Pro určení hmotnostního limitu pro trpaslíka byl vypočten Chandrasekharův limit. Když je překročena, trpaslík se vyvine do jiné podoby nebeského tělesa. Fotosféra hvězdy se v průměru skládá z husté hmoty, odhadované na 105–109 g/cm3. Ve srovnání s hlavní sekvencí je asi milionkrát hustší.
Někteří astronomové věří, že pouze 3 % všech hvězd v galaxii jsou bílí trpaslíci, a někteří jsou přesvědčeni, že každá desátá patří do této třídy. Odhady se tolik liší, pokud jde o důvod obtížnosti pozorování nebeských těles – jsou daleko od naší planety a září příliš slabě.
Příběhy a jména
V roce 1785 se v seznamu dvojhvězd objevilo těleso, které Herschel pozoroval. Hvězda dostala jméno 40 Eridani B. Právě ona je považována za první spatřenou osobu z bílé kategorie.trpaslíci. V roce 1910 si Russell všiml, že toto nebeské těleso má extrémně nízkou úroveň svítivosti, ačkoli barevná teplota je poměrně vysoká. Postupem času bylo rozhodnuto, že nebeská tělesa této třídy by měla být rozdělena do samostatné kategorie.
V roce 1844 se Bessel při studiu informací získaných sledováním Procyonu B, Sirius B, rozhodl, že se oba čas od času posunuly z přímky, což znamená, že existují blízké satelity. Takový předpoklad se vědecké komunitě zdál nepravděpodobný, protože nebyl vidět žádný satelit, zatímco odchylky lze vysvětlit pouze nebeským tělesem, jehož hmotnost je výjimečně velká (podobně jako Sirius, Procyon).
V roce 1962 Clark, pracující s největším dalekohledem, který v té době existoval, identifikoval velmi slabé nebeské těleso poblíž Síria. Byl to on, kdo se jmenoval Sirius B, stejný satelit, který Bessel navrhl už dávno předtím. V roce 1896 studie ukázaly, že Procyon měl také satelit - nazýval se Procyon B. Proto se Besselovy myšlenky plně potvrdily.
