Астрономы увидели, как погасшие звёзды превращаются в кристаллы

Теоретики полвека назад пришли к выводу, что белые карлики со временем кристаллизуются. Подтвердить этот вывод наблюдениями удалось только сейчас.

Иллюстрация University of Warwick/Mark Garlick.

Данные о внутреннем строении белого карлика помогут лучше определять возраст звёзд.

Иллюстрация Stephane Charpinet.

Новейшие наблюдения учёных доказывают, что белые карлики со временем превращаются в кристаллы. Это значит, что Вселенная насыщена огромными "драгоценными камнями", в которые превратились звёзды, исчерпавшие запасы топлива.

Такой вывод сделан в научной статье, опубликованной в журнале Nature группой во главе с Пьером-Эммануэлем Тремблеем (Pier-Emmanuel Tremblay) из Уорикского университета в Великобритании.

Напомним, что звезда, недостаточно массивная, чтобы завершить жизнь во вспышке сверхновой, после исчерпания термоядерного топлива медленно сбрасывает оболочку. На месте былого светила остаётся его остывающее ядро. В телескопы подобные объекты видны как маленькие белые звёздочки, поэтому их и называют белыми карликами.

Плотность этих небесных тел впечатляет: кубический сантиметр такой материи, который мог бы поместиться на кончике пальца, весит около десяти тонн. Поэтому белые карлики считаются естественной лабораторий, подходящей для изучения поведения вещества в экстремальных условиях.

"Такой эксперимент со сверхплотной материей просто невозможно выполнить ни в одной лаборатории на Земле", – констатирует Тремблей.

Несмотря на огромную плотность, вещество белого карлика ведёт себя как жидкость. Ядра атомов не образуют упорядоченной структуры, а расположены хаотично. (Отметим, что электроны свободно перемещаются по всему небесному телу, как в металле).

Около 50 лет назад теоретики рассчитали, что со временем каждый белый карлик превращается в кристалл. Когда температура его недр падает до 10 миллионов градусов, он "замерзает", как вода при превращении в лёд. Атомные ядра выстраиваются в строгую кристаллическую решётку.

Но как проверить такой теоретический прогноз? Как сказал бы герой известного фильма, нельзя просто взять и посмотреть, что внутри у белого карлика. "Карликоходы", способные пролететь межзвёздные расстояния, опуститься на объект с температурой поверхности 10 тысяч градусов и пробурить скважину в "грунте" плотностью в тонны на кубический сантиметр, пока не предусмотрены ни одной космической программой.

К счастью, сама теория и подсказывает способ проверки. Эксперты знают, какой цвет и светимость должен иметь белый карлик определённой массы в том или ином возрасте. Это связано с темпами его остывания.

Но при кристаллизации недр небесного тела из них выделяется дополнительное тепло. Поэтому кристаллизовавшаяся "бывшая звезда" должна, так сказать, отставать от графика остывания на целый миллиард лет. Следовательно, кристаллизовавшиеся белые карлики будут иметь иной цвет и светимость, чем им положено по габаритам.

Таким образом, чтобы проверить гипотезу о кристаллизации, нужно пронаблюдать достаточно много белых карликов и определить их цвет и светимость.

Цвет светила легко определить по его спектру. Измерить светимость гораздо сложнее: для этого нужно знать не только видимую яркость тела, но и расстояние до него. Именно этих данных астрономам не хватало целых полвека. А теперь на помощь пришёл космический картограф "Гайя", о котором "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали.

"До Гайи у нас было сто–двести белых карликов с точно известным расстоянием [до них] и яркостью. Теперь [их] у нас двести тысяч", – делится радостью Тремблей.

Данные о внутреннем строении белого карлика помогут лучше определять возраст звёзд.
Данные о внутреннем строении белого карлика помогут лучше определять возраст звёзд.
Иллюстрация Stephane Charpinet.

Для своего исследования авторы отобрали 15 тысяч белых карликов в радиусе 300 световых лет от Земли с массами от 0,9 до 1,1 солнечной. Обработав данные, они обнаружили множество светил, у которых остывание замедлилось как раз тогда, когда, согласно прогнозам, должна была наступить кристаллизация.

"Это первое прямое доказательство того, что белые карлики кристаллизуются, или переходят из жидкого состояния в твёрдое. Пятьдесят лет назад было предсказано, что мы должны наблюдать увеличение количества белых карликов определённой яркости и цвета из-за кристаллизации, и только сейчас это мы это наблюдали", – говорит Тремблей.

Согласно теории, каждый белый карлик рано или поздно "затвердевает", хотя тяжёлые светила входят в эту стадию раньше лёгких.

"Это означает, что миллиарды белых карликов в нашей галактике уже завершили процесс [кристаллизации] и по сути являются кристаллическими сферами на небе. Солнце станет кристаллическим белым карликом примерно через десять миллиардов лет", – делится подробностями учёный.

Однако авторы не просто подтвердили давний теоретический прогноз. Они обнаружили и новое явление.

Дело в том, что поверхность "затвердевших" белых карликов оказалась слишком горячей, чтобы объяснить это только теплом, выделившимся при кристаллизации.

Этому предложили следующее объяснение. Сначала в кристаллическую фазу переходит кислород. Под действием собственной тяжести он погружается глубже в ядро белого карлика и вытесняет более лёгкий и всё ещё "жидкий" углерод ближе к поверхности. Трение этих потоков вещества дополнительно разогревает небесное тело.

К слову, похожий процесс делает горячими недра нашей планеты, когда тяжёлые элементы (в частности, железо) опускаются в ядро, выталкивая более лёгкие вещества во внешние слои мантии.

Полученные результаты важны не только для понимания эволюции белых карликов и поведения экстремально плотной материи. Взаимосвязь между светимостью, цветом и возрастом белого карлика часто используется для определения "даты рождения" окрестных звёзд. Новые данные позволят уточнить эту методику и более уверенно судить о возрасте разных частей Галактики.

"Мы сделали большой шаг вперёд в выяснении точного возраста этих "холодных" белых карликов и, следовательно, древних звёзд Млечного Пути. Большая часть заслуг в этом открытии принадлежит наблюдениям "Гайи". Благодаря точным измерениям, на которые она способна, мы изучили недра белых карликов с такой детальностью, которую никогда не надеялись получить", – признаётся Тремблей.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, как российские астрономы впервые в мире обнаружили сжатие белого карлика.