1. Каковы белые карлики и сколько их?
Смерть звезды наступает после практически полного выгорания в центральной ее части (ядре) водорода в гелий и, в зависимости от первоначальной массы звезды, выгорания большей или меньшей части гелия в элементы 2-й строки таблицы Менделеева. Преимущественно в кислород, углерод и частично в азот.
Сам процесс умирания звезды выглядит как относительно быстрый сброс (через довольно короткую стадию красного гиганта) значительной части массы внешних слоев звезды в окружающее ее пространство и выделения центральной части звезды (ее ядра) в компактную и горячую звездочку - белый карлик.
Число белых карликов (БК) в нашей галактике "Млечный путь" оценивается в 3-10% от общего числа звезд. В штуках это - десятки миллиардов белых карликов! Такое изобилие можно проиллюстрировать картинкой шарового скопления М4 в высоком разрешении, в коей БК отмечены кружками:
Самый близкий к нам БК - Сириус В с массой, практически равной солнечной массе, и обращающийся вокруг самой яркой звезды на нашем небе Сириуса А, масса которой вдвое больше солнечной. Но так было не всегда. Когда Сириус В был еще живой звездой, его масса была впятеро больше солнечной. Тогда Сириус А был спутником Сириуса В. А умирая Сириус В сбросил в пространство почти 80% своей массы и его ядро стало БК. Расстояние от Земли до системы Сириус равно примерно 8,5 световым годам.
Характерным размером белого карлика считается размер каменной планеты типа Марса или Земли. Массы белых карликов варьируются от 0,5-0,6 Мsun до немногим более 1,3 Мsun (теоретический предел ≈ 1,4 Мsun ) Так, у считающегося в настоящее время самым массивным белого карлика масса М ≈ 1,33 Мsun, а радиус R ≈ 2500 км. При таких параметрах средняя плотность ρ в теле такого БК: ρ ≈ 4×107 г/см3 ≈ 40 тонн/см3. Немыслимая для нас плотность! А у одного из самых маломассивных белых карликов (40 Эридана В) М ≈ 0,5 Мsun, а радиус R ≈ 9500 км. И в этом БК средняя плотность вещества ρ ≈ 3×105 г/см3 ≈ 300 кг/см3 Каково же состояние вещества в белых карликах?
2. Состояние вещества в белых карликах.
На этот вопрос физики обычно отвечают - равновесие БК держится на балансе сил гравитации и давлении вырожденного электронного ферми-газа. Такая формулировка для не изучавших квантовую физику заведомо непонятна. Поэтому зайдем с другой стороны и попытаемся перевести эту формулировку на обычный человеческий язык.
При указанной в приведенном выше примере плотности вещества в 40 тонн/см3 в каждом кубическом сантиметре содержится n ≈ 1,2×1031 электронов (полагаем, что на один электрон приходится пара из протона и нейтрона). Это означает, что размер кубика d, занятого одним электроном, равен d ≈ 4,3×10–11 см.
Будем рассматривать эту величину как неопределенность координаты электрона: Δх ≈ d. Тогда из соотношения неопределенности Гайзенберга Δх×Δp ≈ ħ и того факта, что импульс электрона p = mev следует, что неопределенность скорости электрона Δv ≈ ħ/(med) ≈ 2,7×1010 см/сек. Что очень близко к скорости света с = 3,0×1010 см/сек. А для самого маломассивного БК (40 Эридана В) подобная оценка дает Δv ≈ ħ/(med) ≈ 0,5×1010 см/сек. Что немало, но значительно меньше скорости света.
Такой результат говорит о том, что электроны в самых массивных и, следовательно, самых плотных из известных белых карликов почти релятивистские. И тогда мы приходим к выводу о том, что вещество белых карликов предельно максимальной плотности по своей сути есть электронная жидкость из почти релятивистских электронов. В которой плавают ядра гелия, углерода, азота, кислорода и отчасти других элементов. Вплоть до, как показывают расчеты, ядер магния (более тяжелые ядра в недрах звезд с первоначальной массой меньше 8–10 Msun вряд ли образуются в достаточно приличных количествах).
Надеюсь,что данное выше определение заметно понятнее читателям этого текста, чем понятие вырожденного электронного ферми-газа.
3. Эволюция белых карликов.
Новорожденные белые карлики довольно ярки в том смысле, что температура их поверхности составляет многие десятки тысяч градусов. Вплоть до 100-150 тысяч градусов Кельвина. Но будучи мумиями умерших звезд внутренних источников энергии белые карлики не имеют. Поэтому они остывают. А остывая уменьшают свою светимость. Которая падает по мере остывания БК пропорционально 4-й степени температуры. И через миллиарды лет такие БК способны превратиься в "черные" карлики с температурой поверхности в 2-4 тысячи градусов Кельвина.
Сказанное выше справедливо для одиночных БК. Но в тесных кратных звездных системах, где БК достаточно близок к другой пока еще живой звезде, столь простой сценарий уже не проходит. В тесных двойных звездных системах белый карлик может перетягивать на себя вещество своей соседки и за счет этого процесса устраивать термоядерные взрывы на своей поверхности, организовывать периодические вспышки своей светимости и даже демонстрировать вспышки сверхновых. Жизнь таких белых карликов становится весьма интересной...
Journal information