Белые карлики с секретом: как неон-22 создает вечные обитаемые зоны в глубинах Галактики

В глубинах Млечного Пути, среди миллиардов звезд, скрываются тихие, но удивительные свидетели звездной эволюции — белые карлики. Некогда яркие звезды, подобные нашему Солнцу, в конце своей жизни сбрасывают внешние оболочки и оставляют после себя плотные, медленно остывающие ядра, которые мы и называем белыми карликами. Долгое время они считались космическими «мертвыми телами» — объектами, постепенно теряющими тепло, угасающими в тишине космоса. Однако новое исследование, возглавленное Мануэлем Барриентосом и его коллегами из Университета Оклахомы, переворачивает это представление, открывая поразительную возможность: некоторые белые карлики могут сохранять тепло на миллиарды лет дольше, чем считалось ранее, благодаря неожиданному космическому явлению, связанному с элементом, который, казалось бы, не должен играть такой важной роли — неоном-22.

Исследование показывает, что от 0,6% до 2,5% белых карликов в солнечном окружении испытывают резкое замедление процесса охлаждения, которое может продлить существование их обитаемых зон на срок до 10 миллиардов лет. Этот феномен объясняется уникальным процессом, известным как «дистилляция неона», который происходит в недрах белых карликов, содержащих не менее 2,5% неона-22 по массе.

Неон-22 — третий по распространенности элемент внутри этих звездных остатков после углерода и кислорода — оказывается ключом к их удивительной долговечности. В ходе эволюции звезды, когда в ее ядре идет горение гелия, азот-14, образующийся в цикле CNO, превращается в неон-22. Чем выше начальная «металличность» звезды — то есть содержание элементов тяжелее гелия, таких как углерод, азот и кислород, — тем больше неона-22 образуется в будущем белом карлике.

Когда такой белый карлик начинает остывать, его внутреннее ядро постепенно кристаллизуется. Но здесь происходит нечто необычное: кристаллы, формирующиеся в процессе кристаллизации, оказываются обедненными неоном-22 по сравнению с окружающей жидкостью. Это делает их менее плотными, и они начинают всплывать к поверхности, как пузырьки. Достигнув более теплых слоев, эти кристаллы снова плавятся, высвобождая огромное количество энергии. Этот процесс, по сути, работает как внутренний «двигатель», который временно останавливает остывание звезды, поддерживая ее температуру на неизменном уровне на протяжении десятков миллиардов лет — времени, сопоставимого с возрастом самой Вселенной.

Чтобы проверить эту теорию, команда ученых провела масштабный анализ около 4000 звезд из каталога Hypatia — уникального массива данных, содержащего высокоточные спектроскопические измерения близлежащих звезд в пределах 500 парсеков от Солнца. С помощью современной программы звездной эволюции MESA они смоделировали, сколько неона-22 будет образовано в белых карликах, происходящих из этих звезд.

Полученные прогнозы оказались поразительно близки к наблюдениям, сделанным спутником Gaia Европейского космического агентства. Gaia обнаружила необычное скопление белых карликов на так называемой «Q-ветви» — участке диаграммы звездной яркости, где звезды выглядят ярче, чем должны быть для своего возраста. Около 6% массивных белых карликов оказались «застрявшими» на этой ветви, что указывает на приостановку их охлаждения на миллиарды лет — своего рода «космическую пробку» в эволюции звезд.

Дополнительное подтверждение теории пришло из анализа кинематики этих звезд. Оказалось, что белые карлики на Q-ветви движутся с более высокими скоростями, чем ожидалось для их видимого возраста. Это типичный признак того, что они на самом деле гораздо старше, чем кажется по их яркости — ведь они просто медленнее остывают. Такое несоответствие между светимостью и возрастом — классический маркер замедленного охлаждения, вызванного внутренними энергетическими процессами.

Особенно интересным оказалось обнаружение четкой галактической структуры в распределении таких белых карликов. Используя сложные модели звездного населения Млечного Пути, исследователи выявили, что «дистиллированные» белые карлики сосредоточены преимущественно в центральных областях Галактики. В пределах 2 килопарсеков от центра их доля достигает 7,6%, тогда как на расстоянии 8–10 килопарсеков — в периферийных областях диска — она падает до 1%.

Этот градиент напрямую связан с химическим составом звезд: в центре Галактики выше концентрация металлов, что способствует образованию большего количества неона-22 в звездных остатках. Таким образом, именно в сердце Млечного Пути наиболее вероятно существование долгоживущих белых карликов, способных поддерживать обитаемые зоны на протяжении почти всей истории Вселенной.

Это открытие имеет далеко идущие последствия для астробиологии. Ранее считалось, что обитаемые зоны вокруг белых карликов быстро сужаются по мере их остывания, а любые планеты в этих зонах подвергаются действию приливных сил, которые могут разрушить их структуру или привести к приливной блокировке. Однако теперь оказывается, что у некоторых белых карликов обитаемая зона может сохраняться на более удаленных орбитах и на гораздо более длительный срок. Это не только увеличивает вероятность существования стабильных условий для жизни, но и снижает негативное влияние приливных эффектов, делая такие системы потенциально более пригодными для обитания.

Кроме того, исследование помогает разрешить давнюю загадку: почему в окрестностях Солнца наблюдается подозрительно высокое количество массивных белых карликов? Ученые предполагают, что это может быть артефактом наблюдательной выборки. Дело в том, что «дистиллированные» белые карлики остаются яркими дольше, чем их «нормально» остывающие собратья. Поэтому в обзорах, ограниченных по яркости, они обнаруживаются чаще, создавая ложное впечатление их избытка. Это означает, что реальное распределение белых карликов может быть иным, и необходимо учитывать эффекты замедленного охлаждения при интерпретации астрономических данных.

В конечном счете, это исследование меняет наше понимание белых карликов. Вместо того чтобы считать их космическими тупиками, мы теперь можем рассматривать их как потенциальные «острова стабильности» во Вселенной — долгоживущие системы, способные поддерживать условия для жизни в масштабах времени, превосходящих продолжительность существования нашей цивилизации в тысячи раз.

В одной только нашей Галактике насчитывается миллиарды белых карликов, и если некоторая часть из них обладает способностью к длительному сохранению тепла, то возможности для возникновения и эволюции жизни могут быть гораздо шире, чем мы когда-либо думали. Возможно, самые долговечные и стабильные среды для жизни скрываются не в молодых звездах, а в тихих, медленно светящихся остатках прошлого — среди белых карликов, чьи сердца, словно тлеющие угли, продолжают греть Вселенную миллиарды лет спустя.