Beli škrat je zvezda, ki je v našem prostoru precej pogosta. Znanstveniki ga imenujejo rezultat evolucije zvezd, zadnja stopnja razvoja. Skupno obstajata dva scenarija za modifikacijo zvezdnega telesa, v enem primeru je končna faza nevtronska zvezda, v drugem črna luknja. Škrati so zadnji evolucijski korak. Okoli sebe imajo planetarne sisteme. Znanstveniki so to lahko ugotovili s pregledovanjem vzorcev, obogatenih s kovino.
Ozadje
Beli palčki so zvezde, ki so pritegnile pozornost astronomov leta 1919. Prvič je tako nebesno telo odkril nizozemski znanstvenik Maanen. Za svoj čas je specialist naredil precej netipično in nepričakovano odkritje. Škrat, ki ga je videl, je bil videti kot zvezda, vendar je imel nestandardne majhne velikosti. Toda spekter je bil, kot da bi šlo za masivno in veliko nebesno telo.
Vzroki za tako nenavaden pojav že kar nekaj časa pritegnejo znanstvenike, zato je bilo veliko truda vloženega v preučevanje strukture belih pritlikavk. Preboj je bil narejen, ko so izrazili in dokazali domnevo o številčnosti različnih kovinskih struktur v ozračju nebesnega telesa.
Pojasniti je treba, da so kovine v astrofiziki vse vrste elementov, katerih molekule so težje od vodika, helija, njihova kemična sestava pa je progresivnejša od teh dveh spojin. Helij, vodik, kot so znanstveniki uspeli ugotoviti, so v našem vesolju bolj razširjeni kot katere koli druge snovi. Na podlagi tega je bilo odločeno, da se vse ostalo označi kot kovine.
Razvoj teme
Čeprav so bele pritlikavke, ki so bili po velikosti zelo različni od Sonca, prvič videli v dvajsetih letih, so šele pol stoletja pozneje ljudje odkrili, da prisotnost kovinskih struktur v zvezdni atmosferi ni tipičen pojav. Kot se je izkazalo, se ob vključitvi v ozračje poleg dveh najpogostejših snovi, težjih, izrinejo v globlje plasti. Težke snovi, ki so med molekulami helija, vodika, se morajo sčasoma premakniti v jedro zvezde.
Za ta postopek je bilo več razlogov. Polmer belega pritlikavka je majhen, takšna zvezdna telesa so zelo kompaktna - ni zaman dobila svoje ime. V povprečju je polmer primerljiv z zemeljskim, medtem ko je teža podobna teži zvezde, ki osvetljuje naš planetarni sistem. To razmerje mer in teže povzroča izjemno velik gravitacijski površinski pospešek. Posledično pride do odlaganja težkih kovin v atmosferi vodika in helija le nekaj zemeljskih dni po tem, ko molekula vstopi v skupno plinasto maso.
Funkcije in trajanje
Včasih značilnosti belih palčkovso takšni, da se lahko proces sedimentacije molekul težkih snovi zavleče za dolgo časa. Najbolj ugodne možnosti so z vidika opazovalca z Zemlje procesi, ki trajajo milijone, desetine milijonov let. Toda takšni časovni razdobji so izjemno kratki v primerjavi z življenjsko dobo zvezdnega telesa.
Evolucija belega pritlikavka je takšna, da je večina formacij, ki jih človek trenutno opazuje, starih že nekaj sto milijonov zemeljskih let. Če to primerjamo z najpočasnejšim procesom absorpcije kovin v jedru, je razlika več kot pomembna. Zato odkrivanje kovine v ozračju določene opazne zvezde omogoča z gotovostjo sklepati, da telo sprva ni imelo takšne atmosferske sestave, sicer bi vsi kovinski vključki že zdavnaj izginili.
Teorija in praksa
Zgoraj opisana opažanja, pa tudi informacije, zbrane v več desetletjih o belih pritlikavkah, nevtronskih zvezdah, črnih luknjah, kažejo, da atmosfera prejema kovinske vključke iz zunanjih virov. Znanstveniki so se najprej odločili, da je to medij med zvezdami. Skozi takšno snov se giblje nebesno telo, na njegovo površino nabira medij in s tem obogati ozračje s težkimi elementi. Toda nadaljnja opažanja so pokazala, da je taka teorija nevzdržna. Kot so pojasnili strokovnjaki, če bi do spremembe atmosfere prišlo na ta način, bi palček dobival vodik predvsem od zunaj, saj je medij med zvezdami v svoji masi tvoril vodik inmolekule helija. Le majhen odstotek medija je težkih spojin.
Če bi se teorija, oblikovana iz primarnih opazovanj belih pritlikavk, nevtronskih zvezd, črnih lukenj, upravičila, bi palčke sestavljali vodik kot najlažji element. To ne bi omogočilo obstoja niti helijevih nebesnih teles, saj je helij težji, kar pomeni, da bi ga kopičenje vodika popolnoma skrilo pred očesom zunanjega opazovalca. Na podlagi prisotnosti helijevih škratov so znanstveniki prišli do zaključka, da medzvezdni medij ne more služiti kot edini in celo glavni vir kovin v atmosferi zvezdnih teles.
Kako razložiti?
Znanstveniki, ki so v 70. letih prejšnjega stoletja preučevali črne luknje, bele palčke, so predlagali, da je kovinske vključke mogoče razložiti s padcem kometov na površino nebesnega telesa. Res je, nekoč so bile takšne ideje preveč eksotične in niso bile podprte. To je bilo v veliki meri posledica dejstva, da ljudje še niso vedeli za prisotnost drugih planetarnih sistemov - poznan je bil le naš "domači" sončni sistem.
Pomemben korak naprej pri preučevanju črnih lukenj, belih palčkov, je bil narejen konec naslednjega, osmega desetletja prejšnjega stoletja. Znanstveniki imajo na voljo posebej zmogljive infrardeče instrumente za opazovanje globin vesolja, ki so omogočili zaznavanje infrardečega sevanja okoli enega od znanih astronomov bele pritlikavke. To se je razkrilo ravno okoli škrata, katerega atmosfera je vsebovala kovinovključitev.
Infrardeče sevanje, ki je omogočilo oceno temperature belega pritlikavka, je znanstvenikom povedalo tudi, da je zvezdno telo obdano z neko snovjo, ki lahko absorbira zvezdno sevanje. Ta snov se segreje na določeno temperaturno raven, nižjo kot pri zvezdi. To vam omogoča postopno preusmeritev absorbirane energije. Sevanje se pojavi v infrardečem območju.
Znanost napreduje
Spektri belega pritlikavka so postali predmet preučevanja naprednih umov sveta astronomov. Kot se je izkazalo, lahko od njih dobite precej informacij o značilnostih nebesnih teles. Posebno zanimiva so bila opazovanja zvezdnih teles s presežkom infrardečega sevanja. Trenutno je bilo mogoče identificirati približno tri ducate tovrstnih sistemov. Njihov glavni odstotek so preučevali z najmočnejšim teleskopom Spitzer.
Znanstveniki so pri opazovanju nebesnih teles ugotovili, da je gostota belih pritlikavk bistveno manjša od tega parametra, značilnega za velikane. Ugotovljeno je bilo tudi, da je presežek infrardečega sevanja posledica prisotnosti diskov, ki jih tvori posebna snov, ki lahko absorbira energijsko sevanje. To je tisto, ki nato oddaja energijo, vendar v drugem območju valovnih dolžin.
Diski so izjemno blizu in do neke mere vplivajo na maso belih pritlikavk (ki ne sme preseči Chandrasekharjeve meje). Zunanji polmer se imenuje detritni disk. Domnevajo, da je nastala med uničenjem nekega telesa. V povprečju je polmer po velikosti primerljiv s Soncem.
Če ste pozorni na naš planetarni sistem, postane jasno, da lahko relativno blizu "doma" opazimo podoben primer - to so obroči, ki obkrožajo Saturn, katerih velikost je prav tako primerljiva s polmerom naša zvezda. Sčasoma so znanstveniki ugotovili, da ta lastnost ni edina, ki je skupna škratom in Saturnu. Tako planet kot zvezde imata na primer zelo tanke diske, ki niso prozorni, ko poskušajo sijati skozi svetlobo.
Sklepi in razvoj teorije
Ker so obroči belih pritlikavk primerljivi s tistimi, ki obkrožajo Saturn, je postalo mogoče oblikovati nove teorije, ki pojasnjujejo prisotnost kovin v ozračju teh zvezd. Astronomi vedo, da obroči okoli Saturna nastanejo zaradi plimovanja nekaterih teles, ki so dovolj blizu planeta, da nanje vpliva njegovo gravitacijsko polje. V taki situaciji zunanje telo ne more vzdrževati lastne gravitacije, kar vodi v kršitev integritete.
Pred približno petnajstimi leti je bila predstavljena nova teorija, ki je na podoben način pojasnila nastanek obročev belih pritlikavk. Domnevalo se je, da je bil sprva škrat zvezda v središču planetarnega sistema. Nebesno telo se sčasoma razvija, kar traja milijarde let, nabrekne, izgubi lupino in to povzroči nastanek škrata, ki se postopoma ohlaja. Mimogrede, barvo belih pritlikavk razlaga prav njihova temperatura. Za nekatere je ocenjena na 200.000 K.
Sistem planetov v teku takšne evolucije lahko preživi, kar vodi vširitev zunanjega dela sistema hkrati z zmanjšanjem mase zvezde. Posledično se oblikuje velik sistem planetov. Planeti, asteroidi in številni drugi elementi preživijo evolucijo.
Kaj je naslednje?
Napredek sistema lahko vodi v njegovo nestabilnost. To vodi do bombardiranja prostora, ki obdaja planet, s kamni, asteroidi pa delno odletijo iz sistema. Nekateri od njih pa se premaknejo v orbite in se prej ali slej znajdejo v sončnem polmeru palčka. Do trkov ne pride, vendar plimske sile vodijo do kršitve celovitosti telesa. Skupina takšnih asteroidov dobi obliko, podobno kot obroči, ki obkrožajo Saturn. Tako se okrog zvezde oblikuje naplavin disk. Gostota belega škrata (približno 10^7 g/cm3) in njegovega detritalnega diska se bistveno razlikujeta.
Opisana teorija je postala dokaj popolna in logična razlaga številnih astronomskih pojavov. Preko nje je mogoče razumeti, zakaj so diski kompaktni, saj zvezde ves čas njenega obstoja ne more obkrožati disk s polmerom, primerljivim s sončnim, sicer bi bili takšni diski sprva znotraj njenega telesa.
Z razlago nastanka diskov in njihove velikosti lahko razumemo, od kod izvira posebna zaloga kovin. Lahko bi končal na površini zvezde in okužil škrata s kovinskimi molekulami. Opisana teorija, ne da bi bila v nasprotju z razkritimi kazalniki povprečne gostote belih pritlikavk (reda 10^7 g/cm3), dokazuje, zakaj opazimo kovine v ozračju zvezd, zakaj meritev kemikalijesestava s sredstvi, ki so morda dostopna človeku in zakaj je porazdelitev elementov podobna tisti, ki je značilna za naš planet in druge proučevane objekte.
Teorije: ali obstaja kakšna korist?
Opisana ideja je bila široko uporabljena kot osnova za razlago, zakaj so lupine zvezd onesnažene s kovinami, zakaj so se pojavili diski naplavin. Poleg tega iz tega sledi, da okoli škrata obstaja planetarni sistem. Ta sklep je malo presenečen, saj je človeštvo ugotovilo, da ima večina zvezd lastne sisteme planetov. To je značilno tako za tiste, ki so podobni Soncu, kot za tiste, ki so veliko večje od njegovih dimenzij - iz njih namreč nastanejo beli pritlikavci.
Teme niso izčrpane
Tudi če menimo, da je zgoraj opisana teorija splošno sprejeta in dokazana, so nekatera vprašanja za astronome še danes odprta. Posebej zanimiva je specifičnost prenosa snovi med diski in površino nebesnega telesa. Kot nekateri trdijo, je to posledica sevanja. Teorije, ki na ta način pozivajo k opisu transporta snovi, temeljijo na Poynting-Robertsonovem učinku. Ta pojav, pod vplivom katerega se delci počasi premikajo po orbiti okoli mlade zvezde, postopoma se spiralno gibljejo proti središču in izginjajo v nebesnem telesu. Ta učinek naj bi se predvidoma manifestiral v diskih naplavin, ki obkrožajo zvezde, to je, da se molekule, ki so prisotne v diskih, prej ali slej znajdejo v izjemni bližini škrata. Trdne snoviso podvrženi izhlapevanju, nastane plin - takšen v obliki diskov je bil zabeležen okoli več opazovanih palčkov. Prej ali slej plin doseže površje škrata in sem prevaža kovine.
Razkrita dejstva astronomi ocenjujejo kot pomemben prispevek k znanosti, saj nakazujejo, kako nastajajo planeti. To je pomembno, saj objekti za raziskave, ki pritegnejo strokovnjake, pogosto niso na voljo. Na primer, planete, ki se vrtijo okoli zvezd, večjih od Sonca, je izjemno redko preučevati – to je pretežko na tehnični ravni, ki je na voljo naši civilizaciji. Namesto tega so ljudje lahko preučevali planetarne sisteme po preoblikovanju zvezd v palčke. Če se nam bo uspelo razvijati v tej smeri, bo zagotovo mogoče razkriti nove podatke o prisotnosti planetarnih sistemov in njihovih posebnostih.
Beli palčki, v ozračju katerih so bile odkrite kovine, nam omogočajo, da dobimo predstavo o kemični sestavi kometov in drugih kozmičnih teles. Pravzaprav znanstveniki preprosto nimajo drugega načina za oceno sestave. Na primer, ko preučujemo planete velikanke, lahko dobimo predstavo le o zunanji plasti, o notranji vsebini pa ni zanesljivih informacij. To velja tudi za naš "domači" sistem, saj je kemično sestavo mogoče preučevati samo iz tistega nebesnega telesa, ki je padlo na površje Zemlje ali kjer je bilo mogoče pristati raziskovalni aparat.
Kako gre?
Prej ali slej bo tudi naš planetarni sistem postal "dom" belega pritlikavka. Kot pravijo znanstveniki, ima zvezdno jedroomejena količina snovi za pridobivanje energije in termonuklearne reakcije se prej ali slej izčrpajo. Plin se zmanjša v prostornini, gostota naraste na tono na kubični centimeter, medtem ko v zunanjih plasteh reakcija še vedno teče. Zvezda se razširi in postane rdeči velikan, katerega polmer je primerljiv s stotinami zvezd, ki so enake Soncu. Ko zunanja lupina preneha "goreti", v 100.000 letih pride do razpršitve snovi v prostoru, ki jo spremlja nastanek meglice.
Jedro zvezde, osvobojeno lupine, zniža temperaturo, kar vodi v nastanek belega pritlikavka. Pravzaprav je takšna zvezda plin visoke gostote. V znanosti se palčke pogosto imenujejo degenerirana nebesna telesa. Če bi našo zvezdo stisnili in bi njen polmer znašal le nekaj tisoč kilometrov, a bi teža v celoti ohranila, bi se tukaj zgodil tudi beli škrat.
Funkcije in tehnične točke
Tip kozmičnega telesa, ki ga obravnavamo, je sposoben žareti, vendar je ta proces razložen z drugimi mehanizmi kot s termonuklearnimi reakcijami. Sijaj se imenuje rezidualni, to je razloženo z znižanjem temperature. Škrata tvori snov, katere ioni so včasih hladnejši od 15.000 K. Za elemente so značilna nihajna gibanja. Postopoma postane nebesno telo kristalno, njegov sijaj oslabi in škrat se razvije v rjavo.
Znanstveniki so določili masno mejo za tako nebesno telo - do 1,4 teže Sonca, vendar ne več od te meje. Če masa presega to mejo,zvezda ne more obstajati. To je posledica pritiska snovi v stisnjenem stanju - manjši je od gravitacijskega privlačenja, ki stisne snov. Pojavi se zelo močno stiskanje, kar vodi do pojava nevtronov, snov je nevtronizirana.
Proces stiskanja lahko povzroči degeneracijo. V tem primeru nastane nevtronska zvezda. Druga možnost je nadaljevanje stiskanja, ki prej ali slej vodi do eksplozije.
Splošni parametri in funkcije
Bolometrična svetilnost obravnavane kategorije nebesnih teles glede na značilnost Sonca je manjša od približno deset tisočkrat. Polmer škrata je manjši od stokrat večji od sonca, medtem ko je teža primerljiva s tisto, ki je značilno za glavno zvezdo našega planetarnega sistema. Za določitev mejne mase za škrata je bila izračunana meja Chandrasekhar. Ko je presežen, se škrat razvije v drugo obliko nebesnega telesa. Fotosfera zvezde je v povprečju sestavljena iz goste snovi, ocenjene na 105–109 g/cm3. V primerjavi z glavnim zaporedjem je približno milijonkrat gostejša.
Nekateri astronomi verjamejo, da je le 3% vseh zvezd v galaksiji belih pritlikavk, nekateri pa so prepričani, da vsaka deseta spada v ta razred. Ocene se zelo razlikujejo glede razloga za težave z opazovanjem nebesnih teles – so daleč od našega planeta in svetijo prešibko.
Zgodbe in imena
Leta 1785 se je na seznamu dvojnih zvezd pojavilo telo, ki ga je opazoval Herschel. Zvezdo so poimenovali 40 Eridani B. Prav ona velja za prvo videno osebo iz bele kategorije.palčki. Leta 1910 je Russell opazil, da ima to nebesno telo izjemno nizko raven svetilnosti, čeprav je barvna temperatura precej visoka. Sčasoma je bilo odločeno, da je treba nebesna telesa tega razreda ločiti v ločeno kategorijo.
Leta 1844 je Bessel, ki je preučeval informacije, pridobljene s sledenjem Procyon B, Sirius B, odločil, da sta se oba občasno premaknila z ravne črte, kar pomeni, da so sateliti blizu. Znanstveni skupnosti se je taka domneva zdela malo verjetna, saj ni bilo mogoče videti nobenega satelita, medtem ko bi odstopanja lahko pojasnili le z nebesnim telesom, katerega masa je izjemno velika (podobno Sirijusu, Procionu).
Leta 1962 je Clark, ki je delal z največjim teleskopom, ki je obstajal v tistem času, identificiral zelo zatemnjeno nebesno telo blizu Siriusa. Prav njega so imenovali Sirius B, isti satelit, ki ga je Bessel predlagal že veliko prej. Leta 1896 so študije pokazale, da je imel Procyon tudi satelit – imenoval se je Procyon B. Zato so bile Besselove ideje v celoti potrjene.
