גמד לבן: מאפיינים, הרכב, היווצרות, סוגים - ארטה - 2024

ננס לבן הוא כוכב בשלבים האחרונים של האבולוציה שלה, שכבר מיצתה את כל המימן בליבתו, כמו גם את הדלק לכור הפנימי שלה. בנסיבות אלה הכוכב מתקרר ומתכווץ בצורה מדהימה בגלל כוח המשיכה שלו.

יש בו רק את החום שנאגר במהלך קיומו, כך שבמובן מסוים, גמד לבן דומה לגחלת שנשארה לאחר כיבוי מדורה ענקית. זה ייקח מיליוני שנים עד שהנשימה האחרונה של החום שלו עוזבת אותו, והופכת אותו לחפץ קר וחשוך.

איור 1. תמונה מקרוב של המערכת הבינארית סיריוס A (הכוכב הראשי) וסיריוס B (גמד לבן) בצילומי רנטגן שצילם צ'נדרה. מקור: Wikimedia Commons.

תַגלִית

למרות שידוע שהם כיום בשפע, הם מעולם לא היו קלים לזהות מכיוון שהם קטנים במיוחד.

הגמד הלבן הראשון התגלה על ידי ויליאם הרשל בשנת 1783, כחלק ממערכת הכוכבים ארידאני 40, בקבוצת הכוכבים ארידנו, שכוכבה הבהיר ביותר הוא אחנרר, הנראה מדרום (בחצי הכדור הצפוני) במהלך החורף.

40 ארידאני מורכב משלושה כוכבים, אחד מהם, 40 ארידנה א 'נראה לעין בלתי מזוינת, אך 40 ארידאני ב' ו -40 ארידני C הם הרבה יותר קטנים. B הוא גמד לבן ואילו C גמד אדום.

שנים מאוחר יותר, לאחר גילוי מערכת 40 ארידני, האסטרונום הגרמני פרידריך בסל גילה בשנת 1840 כי לסיריוס, הכוכב הבהיר ביותר בקאנס מייג'ור, יש בן לוויה דיסקרטי.

בסל הבחין ברמיזות קטנות במסלול של סיריוס, שההסבר שלו לא יכול היה להיות אלא קרבתו של כוכב קטן יותר. זה נקרא סיריוס B, כ- 10,000 פעמים עמום יותר מסיריוס א 'המפואר.

התברר כי סיריוס ב 'היה קטן או קטן יותר מאשר נפטון, אך עם צפיפות גבוהה להפליא וטמפרטורת פני שטח של 8000 ק'. מכיוון שהקרינה של סיריוס ב 'תואמת את הספקטרום הלבן, זה התפרסם כ"גמד לבן ".

ומכאן ואילך, כל כוכב בעל מאפיינים אלה נקרא כך, למרות שגמדים לבנים יכולים להיות גם אדומים או צהובים, מכיוון שיש להם מגוון של טמפרטורות, כאשר הלבן הוא הנפוץ ביותר.

מאפיינים

עד כה תועדו כ- 9000 כוכבים המסווגים כגמדים לבנים, על פי סקר השמיים הדיגיטליים Sloan (SDSS), פרויקט המוקדש לייצור מפות תלת ממדיות מפורטות של היקום הידוע. כאמור, הם לא קלים לגלות בגלל הזוהר החלש שלהם.

בסביבת השמש ישנם לא מעט גמדים לבנים, רבים מהם התגלו על ידי האסטרונומים ג 'קופר וו. לואיטן בראשית המאה העשרים. לכן המאפיינים העיקריים שלו נחקרו בקלות יחסית, על פי הטכנולוגיה הזמינה.

המצטיינים ביותר הם:

גודל קטן, דומה לכוכב לכת.

- צפיפות גבוהה.

- בהירות נמוכה.

- טמפרטורות בטווח של 100000 ו 4000 K.

יש להם שדה מגנטי.

- יש להם אווירה של מימן והליום.

- שדה כבידה אינטנסיבי.

- אובדן אנרגיה נמוך כתוצאה מקרינה וזו הסיבה שהם מתקררים לאט מאוד.

הודות לטמפרטורה ולזוהר, ידוע שהרדיוסים שלהם קטנים מאוד. גמד לבן שטמפרטורת פני השטח שלו דומה לזו של השמש, בקושי פולט אלף מאור הזוהר שלו. לכן, פני השטח של הגמד צריכים להיות קטנים מאוד.

איור 2. סיריוס B וכוכב הלכת ונוס בקוטר זהה. מתויג

שילוב זה של טמפרטורה גבוהה ורדיוס קטן גורם לכוכב להיראות לבן, כאמור.

לגבי מבנהם משערים כי יש להם גרעין מוצק בעל אופי גבישי, מוקף בחומר במצב הגזי.

זה אפשרי בגלל התמורות עוקבות שמתרחשות בכור הגרעיני של הכוכב: ממימן להליום, מהליום לפחמן, ומפחמן לגורמים כבדים יותר.

זו אפשרות אמיתית, מכיוון שהטמפרטורה בליבת הגמד נמוכה מספיק בכדי שגרעין כה מוצק יתקיים.

למעשה, לאחרונה התגלה גמד לבן האמין כי יש ליבת יהלום בקוטר 4000 ק"מ, שנמצא בקונסטלציה אלפא סנטאורי, 53 שנות אור מכדור הארץ.

צפיפות הגמדים הלבנים

שאלת הצפיפות של הגמדים הלבנים גרמה להתבוננות רבה בקרב האסטרונומים בסוף המאה ה -19 ובתחילת המאה העשרים. החישובים הצביעו על צפיפות גבוהה מאוד.

לגמד לבן יכול להיות מסה של פי 1.4 מזו של השמש שלנו, דחוסה לגודל כדור הארץ. באופן זה צפיפותם גדולה פי מיליון מזו של מים והיא בדיוק מה שמקיים את הגמד הלבן. איך זה אפשרי?

מכניקת הקוונטים טוענת שחלקיקים כמו אלקטרונים יכולים לתפוס רק רמות אנרגיה מסוימות. יש גם עיקרון המגביל את סידור האלקטרונים סביב הגרעין האטומי: עקרון ההדרה של פאולי.

על פי מאפיין זה של החומר, אין אפשרות לשני אלקטרונים להיות אותו מצב קוונטי בתוך אותה מערכת. יתר על כן, בעניין רגיל לא כל רמות האנרגיה המותר תפוסות בדרך כלל, רק חלקן.

זה מסביר מדוע הצפיפות של חומרים יבשתיים היא רק בסדר גודל של כמה גרם לסנטימטר מעוקב.

החומר המנוון

כל רמת אנרגיה תופסת נפח מסוים, כך שהאזור התופס מישור אחד אינו חופף לזה של אחר. באופן זה, שתי רמות עם אותה אנרגיה יכולות להתקיים יחד ללא בעיה, כל עוד הן לא חופפות, מכיוון שיש כוח של ניוון שמונע זאת.

זה יוצר מעין מחסום קוונטי המגביל את התכווצות החומר בכוכב, ויוצר לחץ שמפצה על התמוטטות הכבידה. זה שומר על שלמותו של הגמד הלבן.

בינתיים האלקטרונים ממלאים את כל עמדות האנרגיה האפשריות, וממלאים במהירות את הנמוכים ביותר ורק אלה עם האנרגיה הגבוהה ביותר הקיימת.

בנסיבות אלה, עם כל מצבי האנרגיה שנכבשים, החומר נמצא במצב שבפיזיקה נקרא מצב מנוון. זהו מצב הצפיפות המרבית האפשרית, על פי עקרון ההדרה.

אך מכיוון שחוסר הוודאות במיקום △ x של האלקטרונים הוא מינימלי, בגלל הצפיפות הגבוהה, על ידי עקרון הוודאות של הייזנברג, אי הוודאות ברגע הליניארי △ p תהיה גדולה מאוד, כדי לפצות על הקטנות של △ x ולהגשים. כך:

△ x △ p ≥ ћ / 2

כאשר ћ הוא h / 2π, כאשר h הוא קבוע של פלאנק. כך, מהירות האלקטרונים מתקרבת למהירות האור והלחץ שהם מפעילים עולה, שכן גם ההתנגשויות גדלות.

לחץ קוונטי זה, הנקרא לחץ פרמי, אינו תלוי בטמפרטורה. זו הסיבה שלגמד לבן יכול להיות אנרגיה בכל טמפרטורה, כולל אפס מוחלט.

אבולוציה

הודות לתצפיות אסטרונומיות והדמיות מחשב, היווצרותו של כוכב טיפוסי כמו השמש שלנו מתבצעת באופן הבא:

ראשית, גז ואבק קוסמי בשפע מימן והליום מתמצאים בזכות כוח המשיכה, כדי להצמיח את הפרוטוסטאר, חפץ מהמם צעיר. הפרוטוסטאר הוא תחום המתכווץ במהירות, שטמפרטורתו עולה בהדרגה במהלך מיליוני שנים.

- ברגע שמגיעה מסה קריטית ועם עליית הטמפרטורה, הכור הגרעיני מופעל בתוך הכוכב. כאשר זה קורה, היתוך מימן מתחיל והכוכב מצטרף לרצף הראשי שנקרא (ראה איור 3).

- כעבור זמן מה, המימן בגרעין מותש והצתה של המימן בשכבות החיצוניות ביותר של הכוכב, כמו גם זה של ההליום בגרעין.

- הכוכב מתרחב, עולה בהירותו, מוריד את הטמפרטורה שלו והופך לאדום. זהו שלב הענק האדום.

- השכבות החיצוניות ביותר של הכוכב מנותקות הודות לרוח הכוכבית ויוצרות ערפילית פלנטרית, אם כי אין בה כוכבי לכת. ערפילית זו מקיפה את ליבת הכוכב (החמה הרבה יותר), שברגע שמיצת המימן מותשת, מתחיל לשרוף הליום ליצירת יסודות כבדים יותר.

- הערפילית מתפוגגת, ומשאירה את הליבה המתכווצת של הכוכב המקורי, ההופך לגמד לבן.

אף כי היתוך גרעיני נפסק למרות שעדיין יש לו חומר, לכוכב עדיין יש עתודת חום מדהימה, הנפלטת לאט מאוד על ידי קרינה. שלב זה נמשך זמן רב (בערך 10 ¹⁰ שנים, גיל היקום המשוער).

- ברגע שהוא קר, האור שהוא פלט נעלם לחלוטין והגמד הלבן הופך לגמד שחור.

איור 3. מחזור החיים של הכוכבים. מקור: Wikimedia Commons. ר.נ. ביילי

האבולוציה של השמש

ככל הנראה, השמש שלנו, בשל מאפייניה, עוברת את השלבים המתוארים. כיום השמש היא כוכב בוגר ברצף הראשי, אך כל הכוכבים עוזבים אותו בשלב כלשהו, ​​במוקדם או במאוחר, אם כי רוב חייהם מבלים שם.

ייקח מיליוני שנים רבות עד שהיא תיכנס לשלב הענק האדום הבא. כשזה יקרה, כדור הארץ ושאר כוכבי הלכת הפנימיים יתאפפו על ידי השמש העולה, אך לפני כן, האוקיינוסים ככל הנראה יתאדו וכדור הארץ יהפוך למדבר.

לא כל הכוכבים עוברים את השלבים האלה. זה תלוי במסה שלו. לאלה המסיביים בהרבה מהשמש יש סוף הרבה יותר מרהיב מכיוון שהם בסופו של דבר כסופרנובים. השריד במקרה זה יכול להיות אובייקט אסטרונומי מיוחד, כמו חור שחור או כוכב נויטרונים.

גבול Chandrasekhar

בשנת 1930 קבע אסטרופיזיקאי הינדי בן 19 בשם הסברהמניאן צ'נדראסקהאר את קיומה של מסה קריטית בכוכבים.

כוכב שמסתו מתחת לערך קריטי זה הולך בדרכו של גמד לבן. אבל אם המסה שלו נמצאת בראש, ימיו מסתיימים בפיצוץ אדיר. זוהי גבול הצ'נדראסכר, והיא פי 1.44 מכמות השמש שלנו.

זה מחושב כך:

כאן N הוא מספר האלקטרונים למסת יחידה, ћ הוא הקבוע של פלאנק המחולק ב 2π, c הוא מהירות האור בוואקום ו- G הוא קבוע הכבידה האוניברסאלי.

זה לא אומר שכוכבים הגדולים מהשמש אינם יכולים להפוך לגמדים לבנים. לאורך שהותו ברצף הראשי, הכוכב מאבד ללא הפסקה מסה. זה גם עושה זאת בשלב הערפילית האדומה והפלנטרית שלו.

לעומת זאת, ברגע שהפך לגמד לבן, כוח הכובד העוצמתי של הכוכב יכול למשוך מסה מכוכב אחר בסביבה ולהגדיל את עצמו. לאחר חריגה ממגבלת הצ'נדרסכר, ייתכן כי סוף הגמד - והכוכב האחר - לא יהיה איטי כמו זה שתואר כאן.

קרבה זו יכולה להפעיל מחדש את הכור הגרעיני שנכחד ולהוביל לפיצוץ סופרנובה אדיר (סופרנובות Ia).

הרכב

כאשר המימן בגרעין של כוכב הפך להליום, הוא מתחיל למזג אטומי פחמן וחמצן.

וכאשר שמורת הליום מותשת בתורו, הגמד הלבן מורכב בעיקר מפחמן וחמצן, ובמקרים מסוימים ניאון ומגנזיום, בתנאי שלגרעין יש לחץ מספיק בכדי לסנתז את היסודות הללו.

איור 4. הכוכב AE Aquarii הוא גמד לבן פועם. מקור: נאס"א באמצעות המפקח הוויקימוני.

יתכן שלגמד יש אטמוספרה דקה של הליום או מימן, שכן ככל שכוח הכבידה של הכוכב גבוה, האלמנטים הכבדים נוטים להצטבר במרכז ולהותיר את האור הקל יותר על פני השטח.

בחלק מהגמדים ניתן אפילו למזג אטומי ניאון וליצור גרעיני ברזל מוצקים.

הַדְרָכָה

כפי שאמרנו לאורך כל הפסקאות הקודמות, הגמד הלבן נוצר לאחר שהכוכב מרוקן את שמורת המימן שלו. ואז הוא מתנפח ומתרחב ואז מגרש חומר בצורה של ערפילית פלנטרית, ומשאיר את הגרעין בפנים.

גרעין זה, המורכב מחומר מנוון, הוא מה שמכונה כוכב ננס לבן. ברגע שכור האיחוי שלו נכבה, הוא מתכווץ ומתקרר לאט, מאבד את כל האנרגיה התרמית שלו ואת הזוהר שלו.

סוגי גמדים לבנים

כדי לסווג כוכבים, כולל גמדים לבנים, משתמשים בסוג הספקטרלי, אשר בתורו תלוי בטמפרטורה. לשם שמות הכוכבים הגמדים משתמשים בבירה D ואחריה אחת מאותיות אלה: A, B, C, O, Z, Q, X. האותיות האחרות: P, H, E ו- V מציינות סדרה נוספת של מאפיינים, הרבה יותר ספציפית.

כל אחת מאותיות אלו מציינת מאפיין בולט בספקטרום. לדוגמא, כוכב DA הוא גמד לבן שלקשתו יש קו מימן. ולגמד DAV יש את קו המימן, ויתרה מכך, ה- V מציין שהוא כוכב משתנה או פועם.

לבסוף, מספר בין 1 ל 9 מתווסף לסדרת האותיות כדי לציין את מדד הטמפרטורה n:

n = 50400 / T יעיל של הכוכב

סיווג נוסף של גמדים לבנים מבוסס על המסה שלהם:

- בערך 0.5 מ 'שמש

- מסה ממוצעת: בין 0.5 ל 8 פעמים M סול

- בין פי 8 לעשרה ממסת השמש.

דוגמאות לגמדים לבנים

- סיריוס ב 'בקבוצת הכוכבים קאן מז'ור, בן לווייתו של סיריוס א', הכוכב הבהיר ביותר בשמי הלילה. זהו הגמד הלבן הקרוב מכולם.

- AE Aquarii הוא גמד לבן הפולט פולסים רנטגן.

- 40 ארידני ב ', 16 שנות אור רחוקות. ניתן לצפות בו באמצעות טלסקופ

- HL טאאו 67 שייך לקבוצת מזל שור והוא גמד לבן משתנה, הראשון מסוגו שהתגלה.

- DM Lyrae הוא חלק ממערכת בינארית והוא ננס לבן שהתפוצץ כנובלה במאה ה -20.

- WD B1620 הוא גמד לבן ששייך גם למערכת בינארית. הכוכב המלווה הוא כוכב פועם. במערכת זו יש כוכב לכת המקיף את שניהם.

- פרוסיון ב ', בן לווייתו של פרוסיון א', בקבוצת הכוכבים של הכלב הקטנה.

איור 5. המערכת הבינארית פרוסיון, הגמד הלבן היא נקודה זעירה מימין. מקור: ג'וזפה דונטיילו דרך פליקר.

הפניות

1. קרול, ב. מבוא לאסטרופיזיקה מודרנית. 2. מַהֲדוּרָה. פירסון.
2. מרטינז, ד. ההתפתחות הכוכבית. התאושש מ-: Google Books.
3. אולייזולה, I. הגמדים הלבנים. התאושש מ: telesforo.aranzadi-zientziak.org.
4. אוסטר, ל. 1984. אסטרונומיה מודרנית. הערכה Reverté.
5. ויקיפדיה. גמדים לבנים. התאושש מ: es. wikipedia.org.
6. ויקיפדיה. רשימת הגמדים הלבנים. התאושש מ- en.wikipedia.org.