גמד לבן הוא כוכב נפוץ למדי בחלל שלנו. מדענים קוראים לזה תוצאה של התפתחות הכוכבים, השלב האחרון בהתפתחות. בסך הכל, ישנם שני תרחישים לשינוי של גוף כוכבי, במקרה אחד השלב הסופי הוא כוכב נויטרונים, במקרה השני חור שחור. גמדים הם השלב האבולוציוני האחרון. יש להם מערכות פלנטריות סביבם. מדענים הצליחו לקבוע זאת על ידי בחינת דגימות מועשרות במתכות.
רקע
גמדים לבנים הם כוכבים שמשכו את תשומת לבם של אסטרונומים בשנת 1919. בפעם הראשונה, גרם שמימי כזה התגלה על ידי מדען מהולנד, מאנן. לתקופתו, המומחה גילה תגלית די לא טיפוסית ובלתי צפויה. הגמד שראה נראה כמו כוכב, אבל היו לו מידות קטנות לא סטנדרטיות. הספקטרום, לעומת זאת, היה כאילו הוא גוף שמימי מסיבי וגדול.
הסיבות לתופעה כל כך מוזרה משכו מדענים כבר די הרבה זמן, ולכן נעשה מאמצים רבים לחקור את מבנה הגמדים הלבנים. פריצת הדרך נעשתה כאשר הביעו והוכיחו את ההנחה בדבר ריבוי מבני מתכת שונים באטמוספירה של גוף שמימי.
יש צורך להבהיר שמתכות באסטרופיזיקה הן כל מיני יסודות, שהמולקולות שלהם כבדות יותר ממימן, הליום, וההרכב הכימי שלהן מתקדם יותר משתי התרכובות הללו. הליום, מימן, כפי שהצליחו מדענים לקבוע, נפוצים יותר ביקום שלנו מכל חומר אחר. על סמך זה, הוחלט לייעד את כל השאר כמתכות.
פיתוח נושא
למרות שננסים לבנים שונים מאוד בגודלם מהשמש נראו לראשונה בשנות העשרים, רק חצי מאה לאחר מכן גילו אנשים שנוכחותם של מבנים מתכתיים באטמוספירה הכוכבית אינה תופעה אופיינית. כפי שהתברר, כאשר הם נכללים באטמוספירה, בנוסף לשני החומרים הנפוצים ביותר, הכבדים יותר, הם נעקרים לשכבות העמוקות יותר. חומרים כבדים, שהם בין המולקולות של הליום, מימן, חייבים בסופו של דבר לעבור לליבה של הכוכב.
היו כמה סיבות לתהליך הזה. הרדיוס של ננס לבן קטן, גופי כוכבים כאלה הם קומפקטיים מאוד - לא בכדי הם קיבלו את שמם. בממוצע, הרדיוס דומה לזה של כדור הארץ, בעוד שהמשקל דומה למשקלו של כוכב שמאיר את מערכת הפלנטות שלנו. יחס זה בין מידות ומשקל גורם להאצת פני שטח כבידה גדולה במיוחד. כתוצאה מכך, שקיעת מתכות כבדות באטמוספירת המימן וההליום מתרחשת רק כמה ימים כדור הארץ לאחר שהמולקולה נכנסת למסה הגזי הכוללת.
תכונות ומשך
לפעמים מאפיינים של גמדים לבניםהם כאלה שתהליך השקיעה של מולקולות של חומרים כבדים יכול להתעכב במשך זמן רב. האפשרויות הטובות ביותר, מנקודת מבטו של צופה מכדור הארץ, הן תהליכים שלוקחים מיליונים, עשרות מיליוני שנים. אולם טווחי זמן כאלה קצרים במיוחד בהשוואה לכל החיים של גוף הכוכב עצמו.
ההתפתחות של גמד לבן היא כזו שרוב התצורות שנצפו על ידי האדם כרגע הן כבר בנות כמה מאות מיליוני שנות כדור הארץ. אם נשווה זאת לתהליך הספיגה האיטי ביותר של מתכות על ידי הגרעין, ההבדל הוא יותר ממשמעותי. לכן, זיהוי מתכת באטמוספירה של כוכב מסוים שניתן לצפות בו מאפשר לנו להסיק בוודאות שלגוף לא היה בתחילה הרכב אטמוספרי כזה, אחרת כל תכלילי המתכות היו נעלמים מזמן.
תיאוריה ופרקטיקה
התצפיות שתוארו לעיל, כמו גם מידע שנאסף במשך עשורים רבים על ננסים לבנים, כוכבי נויטרונים, חורים שחורים, העלו שהאטמוספירה מקבלת תכלילים מתכתיים ממקורות חיצוניים. מדענים החליטו תחילה שזהו המדיום בין הכוכבים. גוף שמימי נע דרך חומר כזה, צולל את המדיום על פני השטח שלו, ובכך מעשיר את האטמוספירה באלמנטים כבדים. אבל תצפיות נוספות הראו שתיאוריה כזו אינה ברת קיימא. כפי שציינו המומחים, אם השינוי באטמוספרה יתרחש בצורה זו, הגמד יקבל בעיקר מימן מבחוץ, שכן התווך שבין הכוכבים נוצר בחלקו הגדול על ידי מימן ומולקולות הליום. רק אחוז קטן מהמדיום הוא תרכובות כבדות.
אם התיאוריה נוצרה מתצפיות ראשוניות של ננסים לבנים, כוכבי נויטרונים, חורים שחורים היו מצדיקים את עצמם, הגמדים היו מורכבים ממימן כיסוד הקל ביותר. זה לא יאפשר את קיומם של אפילו גרמי הליום, מכיוון שההליום כבד יותר, מה שאומר שהצטברות מימן תסתיר אותו לחלוטין מעינו של צופה חיצוני. בהתבסס על נוכחותם של ננסי הליום, מדענים הגיעו למסקנה שהתווך הבין-כוכבי אינו יכול לשמש כמקור היחיד ואפילו העיקרי למתכות באטמוספירה של גופי כוכבים.
איך להסביר?
מדענים שחקרו חורים שחורים, גמדים לבנים בשנות ה-70 של המאה הקודמת, הציעו שניתן להסביר תכלילים מתכתיים על ידי נפילת שביטים על פני השטח של גוף שמימי. נכון, פעם רעיונות כאלה נחשבו אקזוטיים מדי ולא זכו לתמיכה. זה נבע בעיקר מהעובדה שאנשים עדיין לא ידעו על נוכחותן של מערכות פלנטריות אחרות - רק מערכת השמש ה"ביתית" שלנו הייתה ידועה.
צעד משמעותי קדימה בחקר החורים השחורים, ננסים לבנים נעשה בסוף העשור הבא, השמיני של המאה הקודמת. לרשות המדענים עומדים מכשירי אינפרא אדום חזקים במיוחד לתצפית במעמקי החלל, שאפשרו לזהות קרינה אינפרא אדומה סביב אחד מהאסטרונומים הידועים של הננס הלבן. זה התגלה דווקא סביב הגמד, שהאטמוספירה שלו הכילה מתכתהכללה.
קרינת אינפרא אדום, שאפשרה להעריך את הטמפרטורה של הגמד הלבן, אמרה גם למדענים שגוף הכוכבים מוקף בחומר כלשהו שיכול לספוג קרינת כוכבים. חומר זה מחומם לרמת טמפרטורה מסוימת, פחות מזו של כוכב. זה מאפשר לך לנתב בהדרגה את האנרגיה הנספגת. קרינה מתרחשת בתחום האינפרא אדום.
המדע מתקדם
הספקטרום של הגמד הלבן הפך למושא מחקר של המוחות המתקדמים של עולם האסטרונומים. כפי שהתברר, מהם אתה יכול לקבל די הרבה מידע על התכונות של גרמי שמים. עניין במיוחד היו תצפיות על גופי כוכבים עם עודף קרינה אינפרא אדום. כיום ניתן היה לזהות כשלושה תריסר מערכות מסוג זה. האחוז העיקרי שלהם נחקר באמצעות טלסקופ שפיצר החזק ביותר.
מדענים, שהתבוננו בגרמי שמים, גילו שצפיפות הגמדים הלבנים נמוכה משמעותית מהפרמטר הזה, המאפיין ענקים. עוד נמצא כי עודף קרינה אינפרא אדום נובע מנוכחות של דיסקים שנוצרו על ידי חומר ספציפי שיכול לספוג קרינת אנרגיה. הוא זה שמקרין אנרגיה, אבל בטווח אורכי גל אחר.
הדיסקים קרובים בצורה יוצאת דופן ומשפיעים במידה מסוימת על מסת הגמדים הלבנים (שאינם יכולים לחרוג מגבול צ'נדראסקהאר). הרדיוס החיצוני נקרא דיסק דטריטלי. הוצע כי הוא נוצר במהלך הרס של גופה כלשהי. בממוצע, הרדיוס דומה בגודלו לשמש.
אם שמים לב למערכת הפלנטרית שלנו, מתברר שבקרוב יחסית ל"בית" נוכל לצפות בדוגמה דומה - אלו הטבעות המקיפות את שבתאי, שגודלן דומה גם לרדיוס של הכוכב שלנו. עם הזמן, מדענים גילו שתכונה זו אינה היחידה המשותף לגמדים ולשבתאי. לדוגמה, גם לכוכב הלכת וגם לכוכבים יש דיסקים דקות מאוד, שאינן שקופות כאשר מנסים לזרוח דרך האור.
מסקנות ופיתוח התיאוריה
מכיוון שהטבעות של ננסים לבנים דומות לאלו המקיפות את שבתאי, אפשר היה לנסח תיאוריות חדשות המסבירות את נוכחותן של מתכות באטמוספירה של כוכבים אלה. אסטרונומים יודעים שהטבעות מסביב לשבתאי נוצרות על ידי שיבוש גאות ושפל של כמה גופים שקרובים מספיק לכוכב הלכת כדי להיות מושפעים משדה הכבידה שלו. במצב כזה, הגוף החיצוני לא יכול לשמור על כוח המשיכה שלו, מה שמוביל לפגיעה ביושרה.
לפני כחמש עשרה שנים הוצגה תיאוריה חדשה שהסבירה את היווצרותן של טבעות ננס לבנות בצורה דומה. ההנחה הייתה שבתחילה הגמד היה כוכב במרכז המערכת הפלנטרית. הגוף השמימי מתפתח עם הזמן, שלוקח מיליארדי שנים, מתנפח, מאבד את מעטפתו, וזה גורם להיווצרות גמד, שמתקרר בהדרגה. אגב, צבעם של ננסים לבנים מוסבר בדיוק על ידי הטמפרטורה שלהם. עבור חלק, זה מוערך ב-200,000 K.
מערכת כוכבי הלכת במהלך אבולוציה כזו יכולה לשרוד, מה שמוביל להתפשטות החלק החיצוני של המערכת במקביל לירידה במסה של הכוכב. כתוצאה מכך נוצרת מערכת גדולה של כוכבי לכת. כוכבי לכת, אסטרואידים ואלמנטים רבים אחרים שורדים את האבולוציה.
מה הלאה?
התקדמות המערכת עלולה להוביל לחוסר יציבות שלה. זה מוביל להפצצת החלל המקיף את כוכב הלכת על ידי אבנים, ואסטרואידים עפים חלקית החוצה מהמערכת. עם זאת, חלקם עוברים למסלולים, במוקדם או במאוחר מוצאים עצמם ברדיוס השמש של הגמד. התנגשויות אינן מתרחשות, אך כוחות גאות ושפל מובילים להפרה של שלמות הגוף. צביר של אסטרואידים כאלה מקבל צורה דומה לטבעות המקיפות את שבתאי. כך נוצרת דיסקית פסולת סביב הכוכב. הצפיפות של הננס הלבן (כ-10^7 גרם/סמ ק) והדיסק הדטריטלי שלו שונים באופן משמעותי.
התיאוריה המתוארת הפכה להסבר שלם והגיוני למדי של מספר תופעות אסטרונומיות. דרכו אפשר להבין מדוע דיסקיות קומפקטיות, כי לא ניתן להקיף כוכב בדיסקה בעלת רדיוס דומה לזה של השמש במשך כל קיומה, אחרת דיסקים כאלה יהיו בהתחלה בתוך גופו.
על ידי הסבר היווצרות של דיסקים וגודלם, אפשר להבין מהיכן מגיע ההיצע המיוחד של מתכות. זה עלול להיגמר על פני הכוכבים, ולזהם את הגמד במולקולות מתכת. התיאוריה המתוארת, מבלי לסתור את האינדיקטורים שהתגלו לצפיפות הממוצעת של ננסים לבנים (בסדר גודל של 10^7 גרם/סמ ק), מוכיחה מדוע מתכות נצפות באטמוספירה של כוכבים, מדוע מדידת הכימיקלקומפוזיציה באמצעים שאולי נגישים לאדם ומאיזו סיבה התפלגות היסודות דומה לזו האופיינית לכוכב הלכת שלנו וחפצים נחקרים אחרים.
תיאוריות: האם יש תועלת כלשהי?
הרעיון המתואר שימש באופן נרחב כבסיס להסבר מדוע קונכיות הכוכבים מזוהמות במתכות, מדוע הופיעו דיסקיות פסולת. בנוסף, נובע ממנו שקיימת מערכת פלנטרית סביב הגמד. אין הפתעה קטנה במסקנה זו, כי האנושות קבעה שלרוב הכוכבים יש מערכות משלהם של כוכבי לכת. זה אופייני הן לאלה הדומים לשמש, והן לאלה שגדולות בהרבה ממידותיה - כלומר, נוצרים מהם ננסים לבנים.
הנושאים לא מוצו
גם אם ניקח בחשבון את התיאוריה שתוארה לעיל כמקובלת ומוכחת, כמה שאלות לאסטרונומים נשארות פתוחות עד היום. מעניינת במיוחד היא הספציפיות של העברת החומר בין הדיסקים לפני השטח של גוף שמימי. כפי שחלק אומרים, זה נובע מקרינה. תיאוריות הקוראות בדרך זו לתאר את הובלת החומר מבוססות על אפקט פוינטינג-רוברטסון. תופעה זו, שבהשפעתה חלקיקים נעים אט אט במסלול סביב כוכב צעיר, מתגלגלים בהדרגה לכיוון המרכז ונעלמים בגוף שמימי. יש להניח שהשפעה זו אמורה להתבטא בדיסקות הפסולת המקיפות את הכוכבים, כלומר, המולקולות הקיימות בדיסקות מוצאות את עצמן במוקדם או במאוחר בקרבה יוצאת דופן לגמד. מוצקיםנתונים לאידוי, נוצר גז - כזה בצורת דיסקים תועד סביב מספר גמדים שנצפו. במוקדם או במאוחר, הגז מגיע לפני השטח של הגמד, ומעביר לכאן מתכות.
העובדות שנחשפו מוערכות על ידי אסטרונומים כתרומה משמעותית למדע, מכיוון שהן מציעות כיצד נוצרים כוכבי הלכת. זה חשוב, מכיוון שהאובייקטים למחקר שמושכים מומחים לרוב אינם זמינים. לדוגמה, כוכבי לכת המסתובבים סביב כוכבים גדולים מהשמש הם נדירים ביותר למחקר - זה קשה מדי ברמה הטכנית שזמינה לציוויליזציה שלנו. במקום זאת, אנשים הצליחו לחקור מערכות פלנטריות לאחר הפיכת כוכבים לגמדים. אם נצליח להתפתח בכיוון הזה, בהחלט ניתן יהיה לחשוף נתונים חדשים על נוכחותן של מערכות פלנטריות והמאפיינים הייחודיים שלהן.
גמדים לבנים, באטמוספירה שבהם זוהו מתכות, מאפשרים לנו לקבל מושג על ההרכב הכימי של שביטים ושל גופים קוסמיים אחרים. למעשה, למדענים פשוט אין דרך אחרת להעריך את ההרכב. לדוגמה, לימוד כוכבי הלכת הענקים, ניתן לקבל מושג רק על השכבה החיצונית, אך אין מידע אמין על התוכן הפנימי. זה חל גם על המערכת ה"ביתית" שלנו, שכן ניתן ללמוד את ההרכב הכימי רק מאותו גוף שמימי שנפל על פני כדור הארץ או היכן שניתן היה להנחית את מנגנון המחקר.
איך הולך?
במוקדם או במאוחר, המערכת הפלנטרית שלנו תהפוך גם ל"בית" של גמד לבן. כפי שאומרים מדענים, יש לליבה הכוכביתכמות מוגבלת של חומר להשגת אנרגיה, ובמוקדם או במאוחר מוצו תגובות תרמו-גרעיניות. הגז יורד בנפחו, הצפיפות עולה לטון לסנטימטר מעוקב, בעוד שבשכבות החיצוניות התגובה עדיין ממשיכה. הכוכב מתרחב והופך לענק אדום, שרדיוס שלו דומה למאות כוכבים השווים לשמש. כאשר הקליפה החיצונית מפסיקה "לבער", תוך 100,000 שנים יש פיזור של חומר בחלל, המלווה ביצירת ערפילית.
ליבת הכוכב, משוחררת מהקונכייה, מורידה את הטמפרטורה, מה שמוביל להיווצרות גמד לבן. למעשה, כוכב כזה הוא גז בצפיפות גבוהה. במדע, ננסים מכונים לעתים קרובות כגופים שמימיים מנוונים. אם הכוכב שלנו היה דחוס והרדיוס שלו היה רק כמה אלפי קילומטרים, אבל המשקל היה נשמר לחלוטין, אז היה מתקיים כאן גם גמד לבן.
תכונות ונקודות טכניות
סוג הגוף הקוסמי הנדון מסוגל להאיר, אבל תהליך זה מוסבר על ידי מנגנונים אחרים מלבד תגובות תרמו-גרעיניות. הזוהר נקרא שיורי, זה מוסבר על ידי ירידה בטמפרטורה. הגמד נוצר על ידי חומר שלעתים יונים שלו קרים יותר מ-15,000 K. תנועות תנודה אופייניות ליסודות. בהדרגה, הגוף השמימי הופך גבישי, הזוהר שלו נחלש, והגמד מתפתח לחום.
מדענים זיהו מגבלת מסה לגוף שמימי כזה - עד 1.4 משקלה של השמש, אך לא יותר מגבול זה. אם המסה חורגת מגבול זה,הכוכב לא יכול להתקיים. זה נובע מלחץ של חומר במצב דחוס - הוא קטן ממשיכה הכבידה שדוחסת את החומר. יש דחיסה חזקה מאוד, שמובילה להופעת נויטרונים, החומר עובר נויטרונים.
תהליך הדחיסה יכול להוביל לניוון. במקרה זה, נוצר כוכב נויטרונים. האפשרות השנייה היא המשך דחיסה, במוקדם או במאוחר מוביל לפיצוץ.
פרמטרים ותכונות כלליות
הבהירות הבולומטרית של הקטגוריה הנחשבת של גרמי שמים ביחס למאפיין של השמש קטנה מפי עשרת אלפים בערך. רדיוס הגמד קטן מפי מאה מהשמש, בעוד שהמשקל דומה לזה המאפיין של הכוכב הראשי של מערכת הפלנטה שלנו. כדי לקבוע את גבול המסה של גמד, חושבה גבול צ'נדרסכר. כאשר חורגים ממנו, הגמד מתפתח לצורה אחרת של גוף שמימי. הפוטוספירה של כוכב, בממוצע, מורכבת מחומר צפוף, המוערך ב-105–109 גרם/סמ ק. בהשוואה לרצף הראשי, הוא צפוף פי מיליון בערך.
יש אסטרונומים המאמינים שרק 3% מכל הכוכבים בגלקסיה הם ננסים לבנים, ויש המשוכנעים שכל עשירי שייך למעמד הזה. ההערכות משתנות כל כך לגבי הסיבה לקושי להתבונן בגרמי שמים - הם רחוקים מכוכב הלכת שלנו וזוהרים חלש מדי.
סיפורים ושמות
בשנת 1785 הופיעה גופה ברשימת הכוכבים הכפולים, שבה צפה הרשל. הכוכבת קיבלה את השם 40 Eridani B. היא זו שנחשבת לאדם הראשון שנראה מהקטגוריה הלבנה.גמדים. בשנת 1910, ראסל שם לב שלגוף שמימי זה יש רמת בהירות נמוכה במיוחד, אם כי טמפרטורת הצבע גבוהה למדי. עם הזמן, הוחלט שיש להפריד את גרמי השמים ממעמד זה לקטגוריה נפרדת.
בשנת 1844, בסל, שחקר את המידע שהושג על ידי מעקב אחר Procyon B, Sirius B, החליט ששניהם זזו מקו ישר מעת לעת, מה שאומר שישנם לוויינים קרובים. הנחה כזו נראתה בלתי סבירה לקהילה המדעית, שכן לא ניתן היה לראות לוויין, בעוד שהסטיות ניתנות להסבר רק על ידי גוף שמימי, שהמסה שלו גדולה במיוחד (בדומה לסיריוס, פרוציון).
בשנת 1962, קלארק, שעבד עם הטלסקופ הגדול ביותר שקיים באותה תקופה, זיהה גוף שמימי עמום מאוד ליד סיריוס. זה הוא שנקרא סיריוס B, אותו לוויין שבסל הציע הרבה לפני כן. בשנת 1896, מחקרים הראו שלפרוציון היה גם לוויין - הוא נקרא פרוציון B. לכן, רעיונותיו של בסל אושרו במלואם.
