Вопреки распространенному мнению, белые карлики не являются полностью «мертвыми» небесными телами. Исследователи выяснили, почему некоторые из этих звезд не «окаменевают» и откуда они получают энергию, позволяющую им стабильно излучать свет в течение миллиардов лет.
В 2019 году, опираясь на данные, полученные в ходе миссии «Гайя», астрономы создали диаграмму Герцшпрунга — Рассела. Эта диаграмма демонстрирует взаимосвязь светимости звезд с их спектральным классом и другими параметрами. На ней отчетливо выделяются различные группы звезд. При анализе белых карликов на диаграмме ученые выявили необычное «скопление», получившее название Q-ветвь. Оно было расположено в области, где ожидалось увидеть массивные белые карлики, находящиеся в стадии охлаждения. Однако дальнейший анализ показал, что от пяти до девяти процентов звезд, входящих в это «скопление», имеют очень большой возраст; они не демонстрируют признаков остывания как минимум восемь миллиардов лет. В итоге ученым удалось установить механизм, благодаря которому этим звездам удалось приостановить процесс их «угасания».
При обычной схеме охлаждения белого карлика кристаллизация происходит от центра к периферии. «Омертвевшая» звезда, исчерпавшая запасы термоядерного топлива, начинает остывать, а плазма в её ядре переходит в кристаллическое состояние. В ходе этого выделяется значительное количество тепла и энергии, которые, несомненно, замедляют охлаждение, однако не могут предотвратить его течение в течение миллиардов лет.
Согласно расчетам, выполненным астрофизиками, ядро у большинства массивных белых карликов, вероятно, состоит из кислорода и неона. Процесс их охлаждения развивается по обычной схеме. Однако, в некоторых случаях, когда происходит слияние двойных звезд, могут образовываться массивные белые карлики, содержащие углерод-кислородное ядро и значительное количество примесей, насыщенных нейтронами, таких как, к примеру, неон-22.
Как выяснили авторы нового исследования, опубликованного в Nature, в данных условиях процесс затвердевания трансформируется в дистилляцию.
В плотных белых карликах, содержащих «примеси», образуются плавающие кристаллические структуры. Они перемещаются «вверх», в то время как более тяжелая, богатая неоном-22 жидкость опускается вниз. Согласно расчетам ученых, концентрация неоном-22 увеличивается от трех процентов до приблизительно 30 процентов от общей массы. Исследователи использовали неон-22 как типичный пример всех молекул, насыщенных нейтронами.
Вследствие увеличения массы ядра (плотность возрастает приблизительно на восемь процентов) белый карлик незначительно сжимается (его радиус сокращается на один процент), что приводит к высвобождению дополнительной энергии. Эта энергия замедляет процесс охлаждения. Согласно расчетам, продолжительность этой «остановки» может составлять от 7 до 13 миллиардов лет, причем чем больше масса белого карлика, тем короче этот период, поскольку процесс протекает и энергия высвобождается более интенсивно.
В рамках исследования авторы воспроизвели процесс развития массивных белых карликов, большая часть которых соответствовала «типичным» образцам, а от пяти до девяти процентов обладали составом, благоприятным для образования плавучих кристаллов. Полученные данные впервые с высокой точностью совпали по расположению и диапазону значений с Q-ветвью, зафиксированной в наблюдениях «Гайя».
«Данное открытие повлечет за собой необходимость пересмотра не только учебных пособий по астрономии, но и подходов к определению возраста звездных скоплений», — отметил В соавторстве с Саймоном Блуином, исследователем из Университета Виктории (Канада), была подготовлена новая работа).
Таким образом, в течение миллиардов лет эти белые карлики продолжают излучать свет, подобно обычным звёздам. Это позволяет предположить, что их возраст может быть гораздо больше, чем кажется на первый взгляд. Ведь именно возраст звёзд служит ориентиром для учёных при определении возраста звёздных скоплений и реконструкции их эволюции, в том числе и нашей галактики Млечный Путь.
Количество белых карликов данного типа относительно невелико. Поэтому значительных изменений в оценках ожидать не приходится. Безусловно, астрономы будут принимать во внимание их наличие.