Белые карлики. Будущее Вселенной

Работа с шаровыми скоплениями решает проблему определения дистанции. Понятно почему — поперечник скопления много меньше, чем его расстояние до Солнца, поэтому все наблюдаемые звезды можно считать равноудаленными. Однако такие скопления содержат звезды-ровесники, к тому же обычно очень старые. Для настоящей проверки предсказаний Киржница, Абрикосова и Солпитера нужны были сведения о светимости белых карликов разных возрастов и различных начальных масс.

Совсем недавно такие сведения стали доступны, чем и воспользовались британский астрофизик Пьер-Эммануэль Трембле и его коллеги[28]. В качестве источника первичных данных они взяли второй выпуск данных европейской космической обсерватории Gaia, обнародованный в 2018 г. Ее аппаратура чрезвычайно точно измеряет видимую яркость звезд и определяет их годичные параллаксы — и, следовательно, дистанции (естественно, если сами звезды не слишком удалены от Солнца). Ученые проанализировали сведения о светимости и массах 15 000 белых карликов, расположенных в радиусе 100 парсек от Солнца (320 световых лет). Это впервые позволило работать с действительно репрезентативной популяцией этих звезд.

Результаты вполне оправдали ожидания. Сравнивая светимость и цветовые характеристики белых карликов, астрономы из группы Трембле подтвердили реальность остывания их ядер, которое соответствует модели кристаллизации. Также они показали, что кристаллизация наступает тем раньше, чем большей была начальная масса белого карлика. Ядра самых массивных карликов претерпевают это превращение где-то через 1 млрд лет после рождения. С карликами полегче (вроде того, в который когда-нибудь превратится наше Солнце) такая метаморфоза случается через 5–6 млрд лет.

Однако это не все. В конце 1980-х — начале 1990-х гг. было предсказано, что охлаждение белого карлика после начала кристаллизации должно дополнительно замедляться за счет постепенного погружения в центр звезды ядер углерода и кислорода. В ходе погружения выделяется гравитационная энергия, переходящая в тепло и дополнительно препятствующая остыванию. К тому же вертикальная миграция увеличивает отношение концентрации кислорода к концентрации углерода. Причина в том, что кислород кристаллизируется быстрее углерода и потому собирается в самом центре карлика. Трембле и его коллеги нашли подтверждение и этому прогнозу. Поэтому сейчас сценарий кристаллизации остывающих белых карликов выглядит много убедительней, чем лет десять назад. Уже упоминавшийся партнер пульсара PSR J222–0137, который по-прежнему считают кандидатом на титул самого холодного белого карлика нашей Галактики, совершил это превращение и стал гигантским космическим кристаллом. Конечно, это справедливо, если он действительно белый карлик, а не принятая за него нейтронная звезда. Эта версия еще окончательно не опровергнута, хотя ее вероятность и невелика.

Журналисты нередко пишут, что ядро стареющего белого карлика превращается в алмаз. Конечно, это не так — более того, совсем не так. Углеродно-кислородное нутро охладившегося карлика по-прежнему остается в вырожденном состоянии по электронам, что никак не свойственно ни ювелирным, ни техническим алмазам. Да и плотность его составляет около 2,5 т/см³ — тяжеловато для украшений. Наконец, атомы углерода внутри белого карлика выстраиваются в объемно-центрическую решетку, а не в кубическую, как у алмаза. В общем, экспедицию в недра холодного белого карлика планировать не стоит.

20. Другие вместилища вырожденного газа

Особая устойчивость белых карликов обусловлена свойствами вырожденного электронного газа. Четверть века назад астрономы нашли и другие космические объекты, заполненные таким газом. Они занимают промежуточное положение между звездами и газовыми планетами.

Сначала их открыли «на кончике пера». В 1962 г. их существование предсказал Шив Кумар, 23-летний американский астроном индийского происхождения, только что защитивший докторскую диссертацию в Мичиганском университете. Кумар назвал такие объекты черными карликами. Позднее в литературе они фигурировали как черные звезды, объекты Кумара, инфракрасные звезды, но победило словосочетание «коричневый карлик», предложенное в 1974 г. аспиранткой Калифорнийского университета Джилл Тартер.

Кумар шел к своему открытию четыре года. Хотя в те времена основы динамики рождения звезд и были известны, но в деталях оставались изрядные лакуны. Однако Кумар в целом столь верно описал свойства своих «черных карликов», что впоследствии с его заключениями согласились даже суперкомпьютеры. Все-таки человеческий мозг как был, так и остается самым совершенным научным инструментом.