Biely trpaslík: definícia, vznik, vlastnosti a osud hviezd
Biely trpaslík: definícia, vznik, vlastnosti a osud hviezd — prehľad kompaktných hviezd od červeného obra po konečný osud, ich štruktúry a významu v Mliečnej dráhe.
Biely trpaslík je kompaktná hviezda. Ich hmota je stlačená dokopy. Gravitácia pritiahla atómy tesne k sebe a odobrala im elektróny. Hmotnosť bieleho trpaslíka je podobná hmotnosti Slnka, ale jeho objem je podobný objemu Zeme.
Bieli trpaslíci sú konečným vývojovým stavom všetkých hviezd, ktorých hmotnosť nie je dostatočne vysoká na to, aby sa stali neutrónovými hviezdami. Viac ako 97 % hviezd v Mliečnej dráhe sa stane bielymi trpaslíkmi. §1 Po skončení životnosti hviezdy hlavnej postupnosti, ktorá spaľuje vodík, sa hviezda rozšíri na červenéhoobra, ktorý vo svojom jadre spája hélium na uhlík a kyslík. Ak červený obor nemá dostatočnú hmotnosť na tavenie uhlíka, okolo 1 miliardy K sa v jeho strede nahromadí neaktívny uhlík a kyslík. Po tom, ako sa zbaví svojich vonkajších vrstiev a vytvorí planetárnu hmlovinu, zanechá za sebou jadro, ktoré je bielym trpaslíkom.
V materiáli bieleho trpaslíka už neprebiehajú termojadrové reakcie, takže hviezda nemá zdroj energie. Proti gravitačnému kolapsu ju nepodporuje teplo z fúzie.
Hviezda ako naše Slnko sa po vyčerpaní paliva stane bielym trpaslíkom. Ku koncu svojho života prejde štádiom červeného obra a potom stratí väčšinu svojho plynu, až sa to, čo zostane, scvrkne a stane sa mladým bielym trpaslíkom.
Definícia a základné vlastnosti
Biely trpaslík je veľmi husté, kompaktne zbalené pozostatkové jadro hviezdy, ktoré už nepotrebuje a ani nedokáže podporovať termonukleárne reakcie v jadre. Typická hmotnosť bieleho trpaslíka je rádovo 0,2–1,4 hmotnosti Slnka (najčastejšie ~0,6 M⊙), pričom jeho polomer je porovnateľný s polomerom Zeme. To vedie k extrémne vysokej priemernej hustote (milióny až stovky miliónov krát väčšia než priemerná hustota Země) a silnému povrchovému gravitačnému poli.
Podpora proti gravitačnému kolapsu: degenerovaný elektrónový plyn
Hmotu bieleho trpaslíka drží proti zrúteniu najmä elektrónová degenerácia — kvantový jav vyplývajúci z Paulievho vylučovacieho princípu. Elektróny sú stlačené do veľmi hustého stavu, v ktorom už nemožno znížiť ich priestor bez výrazného nárastu kinetickej energie. Táto degeneračná tlaková sila je nezávislá od teploty, preto biely trpaslík netečie stabilne spaľovaním, ale je stabilizovaný kvantovým tlakom.
Preto existuje horná hranica hmotnosti, pri ktorej takýto tlak dokáže odolať gravitácii — tzv. Chandrasekharova hranica, približne 1,4 hmotnosti Slnka. Pri prekročení tejto hranice (napríklad v binárnom systéme pri akrécii hmoty alebo pri zrážke dvoch bielych trpaslíkov) môže dôjsť k kolapsu alebo k termonukleárnej explózii (supernova typu Ia).
Vznik a druhy bielych trpaslíkov
Bieli trpaslíci vznikajú najmä z hviezd s počiatočnými hmotami do približne 8–10 M⊙. Podľa hmotnosti a vývoja prechádzajú cez fázy červeného obra, stratou vonkajších vrstiev a vytvorením planetárnej hmloviny ostáva husté jadro. Jeho zloženie závisí od toho, ktoré nukleárne procesy prebehli v progenitore:
- He-trpaslíky — heliómové jadro (zvyčajne nízkomasívne, vznikajú najmä v binárnych systémoch alebo pri silnom odobratí hmoty),
- CO-trpaslíky — uhlík-kyslíkové jadro (najbežnejší typ, vznik z hviezd podobných Slnku),
- ONe-trpaslíky — kyslík-neónové (vznikajú z relatívne hmotnejších progenitorov blízko horného limitu pre bielych trpaslíkov).
Spektrálne typy, teploty a chladnutie
Mladé biele trpaslíky môžu mať povrchovú teplotu desiatky až státisíce kelvinov; postupne však chladnú. Ich žiarenie je teda najprv silné v ultrafialovom a viditeľnom spektre a s časom prechádza k nižším energiám. Teória predpovedá, že po miliardách až biliónoch rokov biely trpaslík veľmi vychladne a stane sa tzv. čiernym trpaslíkom — objektom, ktorý už nevypromietava prakticky žiadne teplo. Čierne trpaslíky sú však len teoretické, pretože vek vesmíru nie je dostatočný, aby sa niektoré biele trpaslíky úplne ochladili.
Spektrálne klasifikácie pre biele trpaslíky (DA, DB, DC, DQ, DZ, DO atď.) rozlišujú prítomnosť vodíkových či héliových čiar a ďalších chemických stop. Najčastejšie sú DA – s dominantným vodíkovým obalom.
Štruktúra, kryštalizácia a vnútorné procesy
Vnútro bieleho trpaslíka je premenlivé: husté jadro obklopené tenkou atmosférou vodíka alebo hélia. Pri dostatočnom ochladení a tlaku sa plazma vnútri môže čiastočne kryštalizovať (uhlík a kyslík tvoria pevné kryštalické mriežky) — tento proces uvoľňuje latentné teplo a predlžuje chladnutie. Observačné dáta (napríklad z Gaia) priniesli dôkazy o účinkoch kryštalizácie v populácii bielych trpaslíkov.
Bieli trpaslíci v binárnych systémoch a ich osud
V binárnych systémoch môže biely trpaslík akumulovať hmotu od sopúrovacieho spoločníka. Takéto akréčne procesy môžu viesť k:
- novám — povrchové termonukleárne výbuchy, ktoré opakovane odhodia akumulovanú vrstvu hélia alebo vodíka,
- supernovám typu Ia — pri prekročení Chandrasekharovej hranice môže nastať runaway fúzia uhlíka a explózia, ktorá zničí biely trpaslík a slúži ako štandardná sviečka v kozmológii,
- mergery dvoch bielych trpaslíkov — čo môže viesť buď k supernove, alebo k vzniku masívnejšieho bieleho trpaslíka či neutónovej hviezdy v závislosti od hmotností.
Pozorovacie vlastnosti a význam v astrofyzike
Bieli trpaslíci sú dôležití z viacerých dôvodov: slúžia na štúdium konca hviezdneho vývoja, pomáhajú kalibrovať kozmické veky (cooling ages), určujú initial–final mass relation (vzťah medzi počiatočnou hmotou hviezdy a hmotou jej bieleho trpaslíka) a vďaka supernovám typu Ia sú kľúčoví pre meranie kozmologických vzdialeností. Pozorujeme ich spektroskopicky, fotometricky a pomocou paralaxy (na meranie vzdialeností).
Zhrnutie
Biely trpaslík je husté, degenerované jadro vyhasnutej hviezdy, ktoré vzniká po fáze červeného obra po strate vonkajších vrstiev. Je podporovaný elektrónovým degeneračným tlakom, jeho hmotnosť je typicky porovnateľná so Slnkom, avšak objem podobný Zemi. S časom chladne, môže kryštalizovať a v binárnych systémoch môže viesť k javom ako novy alebo supernovy typu Ia. Napriek tomu, že už neprebieha vnútorné spaľovanie, bieli trpaslíci sú kľúčovými objektmi pre pochopenie evolúcie hviezd i kozmológie.
Obrázok Síria A a Síria B z Hubblovho vesmírneho teleskopu. Sírius B, ktorý je bielym trpaslíkom, je viditeľný ako slabý bod svetla vľavo dole od oveľa jasnejšieho Síria A
Hviezdy bielych trpaslíkov
História
Bielych trpaslíkov objavili v 18. storočí. Prvého bieleho trpaslíka s názvom 40 Eridani B objavil 31. januára 1783 William Herschel. p73 Je súčasťou trojhviezdneho systému s názvom 40 Eridani.
Druhý biely trpaslík bol objavený v roku 1862, ale spočiatku bol považovaný za červeného trpaslíka. Bola to malá hviezda v blízkosti hviezdy Sírius. Táto sprievodná hviezda, nazvaná Sírius B, mala povrchovú teplotu približne 25 000 kelvinov, takže bola považovaná za horúcu hviezdu. Sírius B bol však asi 10 000-krát slabší ako primárna hviezda Sírius A. Vedci zistili, že hmotnosť Síria B je takmer rovnaká ako hmotnosť Slnka. To znamená, že Sírius B bol kedysi hviezdou podobnou nášmu Slnku.
V roku 1917 objavil Adriaan van Maanen bieleho trpaslíka, ktorý dostal názov Van Maanen 2. Bol to tretí objavený biely trpaslík. Okrem Síria B je to najbližší biely trpaslík k Zemi.
Žiarenie a teplota
Biely trpaslík má nízku svietivosť (celkové množstvo vyžiareného svetla), ale veľmi horúce jadro. Jadro môže mať teplotu 107 K, zatiaľ čo povrch len 104 K.
Biely trpaslík je pri svojom vzniku veľmi horúci, ale keďže nemá zdroj energie, postupne vyžaruje svoju energiu a ochladzuje sa. To znamená, že jeho žiarenie, ktoré mu na začiatku dáva modrú alebo bielu farbu, sa časom zmenšuje. Za veľmi dlhý čas biely trpaslík vychladne na teplotu, pri ktorej už nebude vyžarovať svetlo. Pokiaľ biely trpaslík nezískava hmotu z hviezdneho sprievodcu alebo iného zdroja, jeho žiarenie pochádza z jeho akumulovaného tepla. To sa nedá nahradiť.
Biele trpaslíky sa ochladzujú pomaly z dvoch dôvodov. Majú extrémne malý povrch, z ktorého vyžarujú teplo, takže chladnú postupne a zostávajú horúce po dlhú dobu. Okrem toho sú veľmi nepriehľadné. Degenerovaná hmota, ktorá tvorí väčšinu bieleho trpaslíka, zastavuje svetlo a iné elektromagnetické žiarenie, takže žiarenie neodvádza veľa energie.
Nakoniec sa všetky biele trpaslíky ochladia na čierne trpaslíky, ktoré sa tak nazývajú preto, lebo nemajú energiu na vytváranie svetla. Žiadni čierni trpaslíci zatiaľ neexistujú, pretože ochladenie bieleho trpaslíka trvá dlhšie, ako je súčasný vek vesmíru. Čierny trpaslík je to, čo zostane z hviezdy po spotrebovaní všetkej jej energie (tepla a svetla).
Opätovné zapaľovanie
Bieli trpaslíci sa môžu znovu zapáliť a vybuchnúť ako supernovy, ak získajú viac materiálu. Existuje maximálna hmotnosť bieleho trpaslíka, aby zostal stabilný. Táto hranica je známa ako Chandrasekharova hranica.
Trpaslík môže napríklad priťahovať materiál zo sprievodnej hviezdy, čím prekročí Chandrasekharovu hranicu. Dodatočná hmotnosť by spustila reakciu uhlíkovej fúzie. Astronómovia sa domnievajú, že toto opätovné vznietenie môže byť príčinou supernov typu Ia.
Otázky a odpovede
Otázka: Čo je to biely trpaslík?
Odpoveď: Biely trpaslík je kompaktná hviezda, ktorej hmota bola gravitáciou stlačená a boli jej odobraté elektróny.
Otázka: Aká je hmotnosť bieleho trpaslíka v porovnaní so Slnkom?
Odpoveď: Hmotnosť bieleho trpaslíka je podobná hmotnosti Slnka, ale jeho objem je podobný objemu Zeme.
Otázka: Aké typy hviezd sa stávajú bielymi trpaslíkmi?
Odpoveď: Bieli trpaslíci sú konečným vývojovým stavom všetkých hviezd, ktorých hmotnosť nie je dostatočne vysoká na to, aby sa stali neutrónovými hviezdami. Viac ako 97 % hviezd v Mliečnej dráhe sa stane bielymi trpaslíkmi.
Otázka: Ako vzniká červený obor?
Odpoveď: Po skončení života hviezdy hlavnej postupnosti, ktorá spaľuje vodík, sa hviezda rozšíri a vytvorí červeného obra, ktorý vo svojom jadre spája hélium na uhlík a kyslík. Ak nemá dostatočnú hmotnosť na tavenie uhlíka, v jej strede sa nahromadí neaktívny uhlík a kyslík.
Otázka: Čo sa stane po tom, ako sa zbaví svojich vonkajších vrstiev a vytvorí planetárnu hmlovinu?
Odpoveď: Po rozpade vonkajších vrstiev a vytvorení planetárnej hmloviny zostane jadro, ktoré sa stane bielym trpaslíkom.
Otázka: Prebieha v materiáli bieleho trpaslíka termojadrová reakcia?
Odpoveď: Nie, materiál v bielom trpaslíkovi už nepodlieha termojadrovým reakciám, takže preň neexistuje zdroj energie a nemôže byť podporovaný teplom proti gravitačnému kolapsu.
Otázka: Ako sa z nášho Slnka stane biely trpaslík?
Odpoveď: Naše Slnko sa stane bielym trpaslíkom, keď mu ku koncu života dôjde palivo; najprv prejde štádiom červeného obra, potom stratí väčšinu plynu, až sa to, čo zostane, zmrští na mladého bieleho trpaslíka.
Prehľadať