BIJELI PATULJAK: KARAKTERISTIKE, SASTAV, FORMACIJA, VRSTE - ARTE - 2026

Bijeli patuljak je zvijezda u posljednjih fazama evolucije, koja je već korišten sav vodik u jezgri, kao gorivo u svom unutarnjem reaktoru. U tim okolnostima, zvijezda se hladi i nevjerojatno se steže zahvaljujući vlastitoj gravitaciji.

Ima samo pohranjenu toplinu tijekom svog postojanja, pa je na neki način bijeli patuljak poput ugljena koji ostaje nakon ugasivanja kolosalnog krista. Proći će milijuni godina prije nego što posljednji dah svoje topline napusti, pretvorivši je u hladan i mračan objekt.

Slika 1. Izbliza binarnog sustava Sirius A (glavna zvijezda) i Sirius B (bijeli patuljak) na rendgenskim zrakama koje je snimio Chandra. Izvor: Wikimedia Commons.

Otkriće

Iako se za njih sada zna da ih ima u izobilju, nikada ih nije bilo lako uočiti jer su izuzetno malene.

Prvog bijelog patuljka William Herschel otkrio je 1783. godine, kao dio Eridanijevog zvjezdanog sustava 40, u zviježđu Eridano, čija je najsjajnija zvijezda Ahernar, vidljivo na jugu (na sjevernoj polutki) tijekom zime.

40 Eridanija čine tri zvijezde, jedna od njih, 40 Eridane A. vidljiva je golim okom, ali 40 Eridani B i 40 Eridani C su mnogo manje. B je bijeli patuljak, dok je C crveni patuljak.

Godinama kasnije, nakon otkrića sustava Eridani 40, njemački astronom Friedrich Bessel otkrio je 1840. godine da Sirius, najsjajnija zvijezda u Canis-u Major, ima diskretnu pratnju.

Bessel je uočio male sinuozitete na putanji Siriusa, čije objašnjenje ne može biti samo blizina druge manje zvijezde. Zvali su ga Sirius B, otprilike 10.000 puta tamniji od sjajnog Siriusa A.

Pokazalo se da je Sirius B jednako mali ili manji od Neptuna, ali s nevjerojatno velikom gustoćom i površinskom temperaturom od 8000 K. A budući da Sirius B zračenje odgovara bijelom spektru, postao je poznat kao "bijeli patuljak".

I od tada se svaka zvijezda s tim karakteristikama naziva tako, iako bijeli patuljci mogu biti i crveni ili žuti, budući da imaju različite temperature, a bijele su najčešće.

karakteristike

Do danas je dokumentirano oko 9000 zvijezda klasificiranih kao bijeli patuljak, prema Sloan Digital Survey Survey (SDSS), projektu posvećenom izradi detaljnih trodimenzionalnih karata poznatog svemira. Kao što smo rekli, nije ih lako otkriti zbog njihove slabe svjetlosti.

U blizini Sunca ima dosta bijelih patuljaka, od kojih su mnoge otkrili astronomi G. Kuyper i W. Luyten početkom 1900-ih. Zbog toga su njegove glavne karakteristike proučavane relativno lako, prema dostupnoj tehnologiji.

Najistaknutiji su:

- Mala veličina, usporediva s planetom.

- Visoka gustoća.

- Mala svjetlost.

- temperature u području od 100000 do 4000 K.

- Imaju magnetsko polje.

- Imaju atmosferu vodika i helija.

- Intenzivno gravitacijsko polje.

- Mali gubitak energije zbog zračenja, zbog čega se hladi vrlo sporo.

Zahvaljujući temperaturi i svjetlini, poznato je da su njihovi radijusi vrlo mali. Bijeli patuljak čija je površinska temperatura slična temperaturi Sunca, jedva emitira jednu tisućinu svoje svjetlosti. Stoga površina patuljka mora biti vrlo mala.

Slika 2. Sirius B i planet Venera imaju približno isti promjer. Tagged

Ta kombinacija visoke temperature i malog radijusa čini da se zvijezda čini bijelom, kao što je već spomenuto.

S obzirom na njihovu strukturu, nagađa se da imaju čvrsto jezgro kristalne prirode, okruženo materijom u plinovitom stanju.

To je moguće zbog uzastopnih transformacija koje se događaju u nuklearnom reaktoru zvijezde: od vodika do helija, od helija do ugljika i od ugljika do težih elemenata.

To je realna mogućnost, jer je temperatura u patuljastoj jezgri dovoljno niska da bi postojala tako čvrsta jezgra.

Zapravo, nedavno je otkriven bijeli patuljak s dijamantskom jezgrom promjera 4000 km, smješten u zviježđu Alpha Centauri, 53 svjetlosne godine od Zemlje.

Gustoća bijelih patuljaka

Pitanje gustoće bijelih patuljaka uzrokovalo je veliku zabrinutost među astronomima krajem 19. i početkom 20. stoljeća. Proračuni su ukazivali na vrlo visoke gustoće.

Bijeli patuljak može imati masu do 1,4 puta veću od našeg Sunca, sažeto na veličini Zemlje. Na taj je način njegova gustoća milijun puta veća od gustoće vode i upravo je to ono što održava bijeli patuljak. Kako je to moguće?

Kvantna mehanika tvrdi da čestice poput elektrona mogu zauzeti samo određene razine energije. Postoji i princip koji ograničava raspored elektrona oko atomske jezgre: Paulijev princip isključenja.

Prema ovom svojstvu materije nemoguće je da dva elektrona imaju isto kvantno stanje unutar istog sustava. Nadalje, u običnoj materiji nisu sve dozvoljene razine energije obično zauzete, već su samo neke.

To objašnjava zašto su gustoće zemaljskih tvari samo nekoliko grama po kubnom centimetru.

Degenerirana materija

Svaka razina energije zauzima određeni volumen, tako da regija koja zauzima jednu razinu ne preklapa se s onom druge. Na taj način dvije razine s istom energijom mogu koegzistirati bez problema, sve dok se ne preklapaju, jer postoji sila degeneracije koja je u tome sprečava.

To stvara neku vrstu kvantne barijere koja ograničava kontrakciju materije u zvijezdi, stvarajući pritisak koji nadoknađuje gravitacijski kolaps. Time se održava integritet bijelog patuljka.

U međuvremenu, elektroni ispunjavaju sve moguće energetske položaje, brzo ispunjavajući one najniže, a dostupni su samo oni s najvišom energijom.

U tim okolnostima, sa zauzetim svim energetskim stanjima, materija se nalazi u stanju koje se u fizici naziva degeneriranim stanjem. To je stanje najveće moguće gustoće, prema principu isključenja.

Ali budući da je nesigurnost u položaju △ x elektrona minimalna, zbog velike gustoće, po Heisenbergovom principu nesigurnosti, nesigurnost u linearnom trenutku △ p bit će vrlo velika, da nadoknadi malenost △ x i ispuni Tako:

△ x △ p ≥ ћ / 2

Gdje je h h / 2π, gdje je h Planckova konstanta. Tako se brzina elektrona približava brzini svjetlosti, a pritisak koji vrše povećava, jer se i kolizije povećavaju.

Taj kvantni tlak, nazvan Fermijev tlak, nije ovisan o temperaturi. Zbog toga bijeli patuljak može imati energiju na bilo kojoj temperaturi, uključujući apsolutnu nulu.

Evolucija

Zahvaljujući astronomskim promatranjima i računalnim simulacijama nastaje tipična zvijezda poput našeg Sunca kako slijedi:

- Prvo, plin i kozmička prašina koja obiluje vodikom i helijem kondenziraju se zahvaljujući gravitaciji, da bi se stvorio protostar, mladi zvjezdani objekt. Protostar je sfera koja se brzo ugovara, a čija se temperatura postupno povećava tijekom milijuna godina.

- Nakon postizanja kritične mase i porasta temperature, nuklearni reaktor se uključuje unutar zvijezde. Kad se to dogodi, započinje fuzija vodika i zvijezda se pridružuje takozvanom glavnom slijedu (vidi sliku 3).

- Nakon nekog vremena vodik u jezgri se iscrpljuje i započinje paljenje vodika u najudaljenijim slojevima zvijezde, kao i helij u jezgri.

- Zvijezda se širi, povećava svjetlinu, smanjuje temperaturu i postaje crvena. Ovo je faza crvenog diva.

- Vanjski slojevi zvijezde odvajaju se zahvaljujući zvjezdanom vjetru i tvore planetarnu maglu, iako u njoj nema planeta. Ova maglica okružuje jezgru zvijezde (mnogo vrelije) koja, nakon što se iscrpi rezerva vodika, počne sagorijevati helij i tvore teže elemente.

- Maglina se rasipa i napušta jezgru izvorne zvijezde, koja postaje bijeli patuljak.

Iako je nuklearna fuzija prestala iako još uvijek ima materijala, zvijezda i dalje ima nevjerojatnu rezervu topline koja zračenjem polako odašilje. Ova faza traje dugo (oko 10 ¹⁰ godina, procijenjena starost svemira).

- Jednom kad je hladno, svjetlost koju je emitirala potpuno nestaje, a bijeli patuljak postaje crni patuljak.

Slika 3. Životni ciklus zvijezda. Izvor: Wikimedia Commons. RN Bailey

Evolucija Sunca

Najvjerojatnije, naše Sunce, zbog svojih karakteristika, prolazi kroz opisane faze. Danas je Sunce odrasla zvijezda u glavnom slijedu, ali sve ga zvijezde napuštaju u nekom trenutku, prije ili kasnije, iako je veći dio života proveden tamo.

Trebat će joj mnogo milijuna godina da uđe u sljedeću fazu crvenog giganta. Kad se to dogodi, Zemlju i ostale unutarnje planete progutat će izlazeće Sunce, ali prije toga oceani će najvjerojatnije ispariti i Zemlja će postati pustinja.

Ne prolaze sve zvijezde kroz ove faze. Ovisi o njegovoj masi. Oni koji su znatno masivniji od Sunca imaju mnogo spektakularniji kraj jer završavaju kao supernove. Ostatak u ovom slučaju može biti osebujan astronomski objekt, poput crne rupe ili neutronske zvijezde.

Granica Chandrasekhar

1930. 19-godišnji hinduistički astrofizičar po imenu Subrahmanyan Chandrasekhar utvrdio je postojanje kritične mase u zvijezdama.

Zvijezda čija je masa ispod ove kritične vrijednosti prati stazu bijelog patuljaka. Ali ako mu je masa iznad vrha, njegovi dani završavaju u kolosalnoj eksploziji. Ovo je granica Chandrasekhar i približno je 1,44 puta veća od mase našeg Sunca.

Izračunava se na sljedeći način:

Ovdje je N broj elektrona po jedinici mase, ћ je Planckova konstanta podijeljena s 2π, c je brzina svjetlosti u vakuumu i G je univerzalna gravitaciona konstanta.

To ne znači da zvijezde veće od Sunca ne mogu postati bijeli patuljci. Tijekom svog boravka u glavnom slijedu, zvijezda neprestano gubi masu. To se događa i u fazi crvene divove i planetarne maglice.

S druge strane, jednom kad se pretvori u bijelog patuljka, snažna gravitacija zvijezde može privući masu druge zvijezde u blizini i povećati svoju. Nakon što se prekorači granica Chandrasekhar, kraj patuljka - i druga zvijezda - možda neće biti spor kao onaj opisan ovdje.

Ta blizina može ponovno pokrenuti izumrli nuklearni reaktor i dovesti do ogromne eksplozije supernove (supernove Ia).

Sastav

Kad se vodik u jezgri neke zvijezde transformira u helij, počinje topiti atome ugljika i kisika.

A kad se zauzvrat potroši helija, bijeli patuljak sastoji se uglavnom od ugljika i kisika, a u nekim slučajevima i neona i magnezija, pod uvjetom da jezgra ima dovoljan pritisak da sintetizira ove elemente.

Slika 4. Zvijezda AE Aquarii je pulsirajući bijeli patuljak. Izvor: NASA putem Wikimedia Commonsa.

Vjerojatno je da patuljak ima tanku atmosferu helija ili vodika, budući da je površinska gravitacija zvijezde velika, teški se elementi nakupljaju u središtu, ostavljajući lakše one na površini.

Kod nekih patuljaka čak je moguće spojiti neonske atome i stvoriti čvrste jezgre željeza.

Trening

Kao što smo rekli u prethodnim stavcima, bijeli patuljak formira se nakon što zvijezda isprazni rezervu vodika. Tada se nabubri i širi, a zatim izbacuje materiju u obliku planetarne maglice, ostavljajući jezgru unutra.

Ova jezgra, sastavljena od degenerirane materije, ono je što je poznato kao zvijezda bijelog patuljaka. Jednom kada se njegov fuzijski reaktor isključi, on se skuplja i polako hladi, gubeći svu toplinsku energiju i svjetlinu.

Vrste bijelih patuljaka

Za razvrstavanje zvijezda, uključujući bijele patuljke, koristi se spektralni tip, koji zauzvrat ovisi o temperaturi. Za nazivanje patuljastih zvijezda koristi se veliko slovo D, a slijedi jedno od ovih slova: A, B, C, O, Z, Q, X. Ova druga slova: P, H, E i V označavaju još jedan niz karakteristika, mnogo određenije.

Svako od ovih slova označava istaknuto obilježje spektra. Na primjer, DA zvijezda je bijeli patuljak čiji spektar ima liniju vodika. A patuljak DAV-a ima liniju vodika i, nadalje, V označava da je promjenjiva ili pulsirajuća zvijezda.

Na kraju, u nizu slova dodaje se broj između 1 i 9 da označi temperaturni indeks n:

n = 50400 / efektivna T zvijezde

Druga klasifikacija bijelih patuljaka temelji se na njihovoj masi:

- Oko 0,5 M ned

- Prosječna masa: između 0,5 i 8 puta M Sol

- Između 8 i 10 puta veće od mase Sunca.

Primjeri bijelih patuljaka

- Sirius B u zviježđu Can Major, pratilac Siriusa A, najsjajnije zvijezde na noćnom nebu. To je najbliži bijeli patuljak od svih.

- AE Aquarii je bijeli patuljak koji emitira rendgenske impulse.

- 40 Eridani B, dalekih 16 svjetlosnih godina. Promatra se teleskopom

- HL Tau 67 pripada zviježđu Bika i promjenjiv je bijeli patuljak, prvi takve vrste koji je otkriven.

- DM Lyrae dio je binarnog sustava i bijeli je patuljak koji je eksplodirao kao nova u 20. stoljeću.

- WD B1620 je bijeli patuljak koji također pripada binarnom sustavu. Prateća zvijezda je pulsirajuća zvijezda. U ovom sustavu postoji planet koji obiluje obojicom.

- Procyon B, pratitelj Procyona A, u zviježđu Malog psa.

Slika 5. Binarni sustav Procyon, bijeli patuljak je sićušna točka s desne strane. Izvor: Giuseppe Donatiello putem Flickr-a.

Reference

1. Carroll, B. Uvod u modernu astrofiziku. 2.. Izdanje. Pearson.
2. Martínez, D. Zvjezdana evolucija. Oporavilo od: Google knjige.
3. Olaizola, I. Bijeli patuljci. Oporavilo sa: telesforo.aranzadi-zientziak.org.
4. Oster, L. 1984. Moderna astronomija. Uredništvo Reverté.
5. Wikipedia. Bijeli patuljci. Oporavak od: es. wikipedia.org.
6. Wikipedia. Popis bijelih patuljaka. Oporavilo s en.wikipedia.org.