Za miliardy lat, kiedy słońce znajdzie się w końcowej fali śmierci (to znaczy po tym, jak już odparuje Ziemię), jego jądro helu zapadnie się w sobie, skurcząc się w mocno ściśniętą kulę świecącego gazu zwaną białym karłem .
Ale chociaż te gwiezdne nagrobki już dotarły do naszego galaktycznego krajobrazu, ich wnętrza pozostają zagadką z fizyki - co nie jest zaskoczeniem, biorąc pod uwagę, jak dziwne są.
Niedawno para naukowców opracowała wyrafinowany model do „patrzenia” na wnętrze białego karła. I zgadnij co? Te kosmiczne dziwaki mogą zawstydzić ziemskie trufle, ponieważ wydają się mieć kremowe centra pełne egzotycznych płynów kwantowych.
Dumna niegdyś gwiazda
Gwiazdy takie jak nasze Słońce uzyskują energię poprzez stopienie wodoru z helem głęboko w ich rdzeniach. To wytwarzanie energii nie może trwać wiecznie - w końcu dostępny wodór wyczerpuje się i impreza się kończy. Ale pod koniec życia gwiazdy mogą na krótko włączyć światła, spalając hel, pozostawiając obojętny, martwy rdzeń węgla i tlenu.
Ale małe gwiazdy, takie jak nasze Słońce, nie mają wystarczającej mocy grawitacyjnej, aby stopić węgiel i tlen z cięższymi pierwiastkami, takimi jak magnez lub żelazo, i dlatego umierają, obracając się na lewą stronę i uwalniając swoją atmosferę w piękny (lub krwawy, w zależności od twojego punkt widzenia) mgławica planetarna.
Rdzeń węgla i tlenu pozostaje w tyle, znaczna część masy gwiazdy jest zamknięta w rdzeniu nie większym niż Ziemia. Kiedy astronomowie po raz pierwszy odkryli te dziwne obiekty - obecnie znane jako białe karły - myśleli, że są niemożliwe, a obliczone gęstości wznoszą się ponad miliard razy szybciej niż powietrze, którym oddychamy. Jak coś może mieć tak ekstremalną gęstość, a nie po prostu zapaść się pod własnym strasznym ciężarem?
Ale białe karły nie są niemożliwe, a spostrzeżenia teoretyczne na początku XX wieku rozwiązały zagadkę, jak białe karły mogłyby istnieć. Odpowiedź nadeszła w formie mechaniki kwantowej, a świadomość, że przy dużych gęstościach natura jest, mówiąc wprost, bardzo dziwna. W przypadku białych karłów w środku może być upakowana tylko pewna liczba elektronów. Ponieważ te wirujące elektrony odpychają się nawzajem, razem wytwarzają wystarczający nacisk, aby utrzymać martwe gwiazdy w balonach, wytrzymując nawet prawie przytłaczające siły grawitacji.
I tak gwiezdne zwłoki mogą żyć przez tryliony lat.
Centra wypełnione kremem
Podczas gdy te wczesne obliczenia pokazały, jak białe karły mogłyby istnieć w naszym wszechświecie, astrofizyk wiedział, że proste opisy nie w pełni uchwycą to, co dzieje się w tak egzotycznych rdzeniach. W końcu jest to stan materii, który jest całkowicie niedostępny dla laboratoriów i eksperymentów tutaj na Ziemi - kto wie, do jakich dziwnych gier może dojść natura, głęboko w tych martwych sercach?
Zarówno fizycy, jak i astronomowie od dziesięcioleci zastanawiają się nad wnętrzami białych karłów, a w niedawnym artykule ukazującym się w czasopiśmie arXiv para rosyjskich fizyków teoretycznych zaproponowała nowy model głębokich rdzeni w białych karłach ich model opiera się na wcześniejszych pracach i odbiega od nich, a także w jaki sposób obserwatorzy mogą potencjalnie stwierdzić, czy ich nowy model jest dokładny.
W tym nowym modelu naukowcy przeprowadzili symulację rdzenia białego karła, który składa się tylko z jednego rodzaju ciężko naładowanych jąder (nie jest to do końca dokładne, ponieważ białe karły są mieszaniną kilku pierwiastków, takich jak węgiel i tlen, ale jest to wystarczająco dobry punkt wyjścia), z cząstkami zanurzonymi w gęstej zupie elektronów.
Ta konfiguracja zakłada, że białe karły są wystarczająco ciepłe, aby mieć płynne wnętrza, co jest rozsądnym założeniem, biorąc pod uwagę, że kiedy się rodzą (a raczej, kiedy w końcu są narażone po śmierci gwiazd macierzystych), mają temperaturę dobrze ponad milion stopni Kelvina.
Najbardziej zewnętrzne warstwy białego karła są wystawione na mroźne środowisko czystej próżni, co pozwala na osadzanie się wodoru na powierzchni, dając im lekką, cienką atmosferę. W ekstremalnych czasach białe karły ochładzają się, ostatecznie tworząc gigantyczny kryształ, ale to wystarczająco długo, aby w większości białe karły były wypełnione egzotyczną cieczą kwantową węgla i tlenu, więc model zastosowany w tym badaniu jest względnie dokładne przez dużą część życia białego karła.
Charakterystyczne powierzchnie
Ponieważ jelita białego karła reprezentują jedno z najbardziej niezwykłych środowisk we wszechświecie, badanie ich może ujawnić pewne głębokie właściwości mechaniki kwantowej w ekstremalnych warunkach. Ale skoro naukowcy nigdy nie mogą mieć nadziei na wbicie białego karła w pobliże wiwisekcji, jak możemy spojrzeć pod maską?
Badacze nowego modelu wykazali, że światło emitowane przez białe karły może być różnym ciepłem. Białe karły same nie wytwarzają ciepła; ich intensywne temperatury są wynikiem ekstremalnych ciśnień grawitacyjnych, jakie napotkali, gdy byli w gwiazdach. Ale gdy ich gwiazda-gospodarz zdmuchnie powietrze i zostanie wystawiona na działanie przestrzeni kosmicznej, świecą intensywnie - w ciągu pierwszych kilku tysięcy lat po wielkim odkryciu są tak gorące, że emitują promieniowanie rentgenowskie.
Ale ochładzają się, bardzo powoli, uwalniając swoje ciepło jak promieniowanie w kosmos. I obserwujemy białe karły na tyle długo, że widzimy, jak ochładzają się przez lata i dekady. To, jak szybko się ochładzają, zależy od tego, jak skutecznie ich uwięzione ciepło może wydostać się na ich powierzchnie - co z kolei zależy od dokładnego charakteru ich wnętrzności.
Kolejną cechą, którą naukowcy wykazali, że może być wykorzystana do zbadania białych karłów, jest ich tak nieznaczne wahanie. Podobnie jak sejsmografia służy do badania jądra Ziemi, skład i charakter białego karła zmienia sposób, w jaki wibracje będą się pojawiać na powierzchni.
Wreszcie, możemy wykorzystać populacje białych karłów, aby uzyskać wskazówki na temat ich wnętrz, ponieważ związek między ich masami a ich rozmiarami zależy od dokładnych relacji kwantowo-mechanicznych rządzących ich wnętrzami.
W szczególności nowe badania sugerują, że większość białych karłów powinna ostygnąć szybciej, niż myśleliśmy, wibrować nieco rzadziej niż sugerują starsze modele i być nieco większa niż oczekiwano, niż gdybyśmy nie wzięli pod uwagę tego bardziej realistycznego modelu. Teraz astronomowie muszą wykonać wystarczająco dokładne pomiary, aby zobaczyć, czy naprawdę rozumiemy te egzotyczne środowiska, czy też musimy zrobić to jeszcze raz.
- 8 sposobów, w jakie możesz zobaczyć teorię względności Einsteina w prawdziwym życiu
- 11 fascynujących faktów na temat naszej Drogi Mlecznej
- 11 największych pytań bez odpowiedzi na temat ciemnej materii
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor Twoje miejsce we wszechświecie.
