Белые карлики. Будущее Вселенной

Но самое интересное в другом. Киржниц, Абрикосов и Солпитер предсказали, что при достаточном охлаждении вещество белого карлика радикально изменяет свою структуру. Все эти ученые рассуждали примерно одинаково. С конца 1920-х гг. было известно, что вещество в центре карлика состоит из погруженных в электронный газ положительных ионов (фактически голых ядер) тех элементов, которые образовались на заключительной стадии термоядерного синтеза. Однако астрофизики еще долго не могли выяснить, на каком рубеже этот синтез прекращается. Киржниц в своей фундаментальной работе предположил, что средний атомный номер таких элементов равен десяти, и почти угадал — в таблице Менделеева углерод занимает шестое место, а кислород — восьмое.

Теперь вспомним, что атомы в центре белого карлика теряют электроны, которые полностью обобществляются. Таким образом возникает чрезвычайно плотный электронный газ, «омывающий» ионы углерода и кислорода. Электроны заполняют все возможные квантовые состояния, энергия которых не превосходит энергии Ферми. В ядрах белых карликов она намного больше и энергии теплового движения, и энергии электрических связей между электронами и ионами. Поэтому плотность электронного «моря» постоянна и практически не зависит от движения ионов. Сами же ионы в этих условиях ведут себя как классические частицы, взаимодействующие между собой согласно закону Кулона. Такая система, как уже говорилось, называется кулоновской плазмой.

А теперь самое интересное. Пока ядро карлика остается очень горячим, ионы совершают хаотические движения, и кулоновская плазма мало чем отличается от идеального газа. Однако при снижении температуры кулоновское взаимодействие между ионами вынуждает их переходить от хаоса к геометрическому порядку. Погруженные в электронное «море» ионы образуют правильную периодическую решетку — то есть перестраиваются в кристаллическую структуру. Это происходит потому, что решетка имеет меньшую энергию, нежели хаотическое распределение ионов (точнее, речь идет о свободной энергии, но это уже тонкости термодинамики). Как говорят физики, такая перестройка (то есть кристаллизация ионов) энергетически выгодна. Этот процесс в принципе ничем не отличается от замерзания воды при нулевой температуре. Те, кто помнит школьную физику, сообразят, что в ядре белого карлика имеет место фазовый переход первого рода.

Как сильно должен остыть карлик для наступления кристаллизации? Это не знает никто, хотя приблизительный ответ известен давно. В 1966 г. отец американской водородной бомбы Эдвард Теллер и его коллеги по Радиационной лаборатории имени Лоуренса будущий известный историк физики Стивен Браш и Гарри Сэлин подсчитали, что в данном случае температура фазового перехода приблизительно равна 10 млн градусов. Отсюда следует, что для кристаллизации ядра его первоначальная температура должна снизиться примерно на порядок.

Из этого вытекает важный вывод, который первым сделал тоже Киржниц. Кристаллизация любой субстанции, будь то вода, расплав железа или сверхплотная кулоновская плазма, приводит к выделению тепла. Поэтому она должна замедлить остывание ядра белого карлика и, следовательно, повлиять на его светимость. В принципе этот феномен можно обнаружить, измеряя абсолютную яркость достаточно большой популяции подобных звезд. А это уже дело астрономов-наблюдателей.

Задачу удалось решить, хотя отнюдь не сразу. В 1968 г. профессор физики и астрономии Рочестерского университета Хью Ван Хорн опубликовал хорошо проработанную модель кристаллизации ядер белых карликов, сославшись на работы Киржница, Абрикосова и Солпитера. В своей статье в The Astrophysical Journal[27] он обсудил результаты измерений абсолютной яркости 65 белых карликов, опубликованные тремя годами ранее и позволившие разделить звезды на две группы, в одной из которых Ван Хорн увидел кандидатов в карлики с кристаллическими ядрами. Однако позднее он признал свои выводы преждевременными, и вопрос об адекватности модели остался открытым.

Как было отмечено ранее, процесс кристаллизации ядра должен отразиться на светимости белого карлика. Для ее измерения надо знать видимую яркость белого карлика и расстояние от Солнечной системы. Поэтому для надежной проверки модели нужно было собрать как можно больше данных того и другого рода. Первый реальный успех пришел сравнительно недавно. В 2009 г. были опубликованы результаты наблюдений белых карликов, входящих в состав старого (свыше 13 млрд лет!) шарового звездного скопления NGC 6397, отдаленного от Солнца на 7800 световых лет. Данные по их абсолютной светимости хорошо подтвердили модель кристаллизации. Такие же выводы были получены и при наблюдении других шаровых скоплений.