Астрономія
Астрономія

Білого карлика впіймали за спалюванням водню під час охолодження

Білі карлики є кінцевим етапом зоряної еволюції і астрономи не очікують від них жодних термоядерних реакцій — лише повільного охолодження протягом мільярдів років. Втім, за знімками «Габбла» італійським астрофізикам вдалося знайти білих карликів, які остигати не поспішають. У кулястому скупченні Геркулеса вони продовжують спалювати водень, імовірно, зі своєї оболонки, і таким чином відстрочувати собі смерть. Горіння водню сповільнює охолодження принаймні 70 відсотків білих карликів у скупченні та руйнує уявлення астрономів про вік зірок у Всесвіті. Про білих карликів, які молодяться, дослідники повідомили у Nature Astronomy.

Кулясте скупчення Геркулеса (зліва) та Мессьє 3 в об'єктиві «Габбла». G. Piotto et al. / ESA / Hubble / NASA 

Кулясте скупчення Геркулеса (зліва) та Мессьє 3 в об'єктиві «Габбла». G. Piotto et al. / ESA / Hubble / NASA

Кого знайшли вчені?

Дослідники з Італійського національного інституту астрофізики взялися за аналіз знімків зоряних скупчень Мессьє 3 (М3) та кулястого скупчення Геркулеса (М13), що їх зробив «Габбл» в ультрафіолетовому та інфрачервоному спектрах. Загалом ці скупчення дуже подібні один до одного: приблизно одного віку та місять зорі однакової металічності. Втім, популяції зірок, які стануть згодом білими карликами — різні. Так асимптотичне відгалуження гігантів, тобто «лінія розмежування» зір на пізніх стадіях еволюції, у M13 синя і містить більше гарячих зірок, ніж у М3. Разом це перетворює скупчення на ідеальні «лабораторії» для дослідження пізніх етапів життя зірок, адже їх можна порівнювати між собою. Так вчені порівняли близько 700 зірок на етапі їхнього старіння, білих карликів, зі двох скупчень та дійшли висновку, що деякі з них не втрачають надії призупинити своє старіння. Комп'ютерне моделювання зоряної еволюції в M13 вказує на принаймні 70 відсотків зірок, які продовжують спалювати водень навіть після того, як зійшли з головної дистанції зоряного шляху — головної послідовності.

Що з цими карликами не так?

Насправді молодість та зрілість зірок у космічних масштабах відносно недовга — із зоряної колиски до головної послідовності, а згодом і сходження з неї проходить не так багато часу. Набагато довша зіркова старість — поступове згасання тих, кому не вистачило маси, щоб стати нейтронною зорею або чорною дірою. Більшість зірок масою до восьми сонячних дійдуть до того, що стануть повільно (дуже повільно — мільярди років) згасати білими карликами. Різниця хіба у тому, що у більших зірок, масою до 11 сонячних, старість буває вибуховою і ті переживають ще період перетворення на червоних гігантів — так станеться і з Сонцем. У зорі припиняються останні термоядерні реакції, адже більше нічому горіти, та залишаються лише електронно-вироджені структури, подальшу еволюцію яких астрофізики описують як повільне звичайне охолодження. Воно і стало головним «космічним хронометром», яким обмежують вік галактик та зоряних скупчень.

Однак, з'явилися нові моделювання і розрахунки, які свідчать на користь того, що білих карликів зарано списувати зі статусу зірок: у них після попередніх етапів еволюції лишається приблизно ¹⁰⁻⁴ сонячних мас водню, чого цілком достатньо, щоб продовжити термоядерні реакції. Для білих карликів невеликої маси (до 0,6 сонячних) та низької металічності це справжнє джерело енергії — до 40 відсотків топлива. За підрахунками, це здатне сповільнити охолодження зорі на 760 мільйонів років, що звісно впливає і на спостережувані нами характеристики білих карликів. Це збиває налаштований астрофізичний хронометр майже на мільярд років і змушує вчених вишукувати білих карликів з метою перерахувати їхній вік та вік їхніх галактик.

Як карлики можуть зберігати водень?

Річ у тім, що якраз ті зорі, яких звинувачують у сповільненні старіння, найімовірніше не проходять третьої стадії так званого зачерпування — винесення з надр на поверхню речовини завдяки ядерному синтезу. Тобто гелій і водень поперемінно згорають в двох окремих оболонках та не дають відбутися сценарію вибухової старості. Якби він стався, то водень з ядра зорі через тепловий імпульс від займання гелію, потрапив би назовні і так само згорів. Але цього не стається і він залишається із зорею у корі. Теоретичні розрахунки вказують, що товщини такої оболонки буде достатньо, щоб гарантувати стабільне горіння водню під час охолодження білого карлика, що призводить до додаткового виробництва енергії, яке збільшує час охолодження. За значень металічності M3 і M13 мінімальна товщина кори білих карликів, щоб ті продовжували горіння водню, має складати близько 1,7х¹⁰⁻⁴сонячних мас, а час охолодження таким чином збільшується не менш як на 75 відсотків за мінімальної світності зорі. Причому, такий розподіл за сценаріями перетворення на білого карлика і «білого карлика, що відстрочує смерть», повністю збігається із фактом співіснування поруч і тих, і інших — вони просто мають різні значення металічності і масу. Тож «стандартні» білі карлики доживають свій вік так само як ми і вважали раніше, а «повільні» — завдячують своїм попередникам, яким не вистачило сили на третій етап зачерпування і так зберегли залишкову водневу оболонку, досить товсту, щоб дозволити горіння під час подальшої еволюції, істотно збільшивши час охолодження.

До речі, білі карлики зі скупчення Геркулеса — не єдині у космосі, хто намагається відстрочити собі смерть. Так нещодавно ми писали про те, як галактики можуть повертати собі втрачену речовину і так подовжувати життя, і так само порушувати хронометр астрономів щодо їхнього віку.