Белые карлики превращаются в кристаллы

Первые прямые доказательства того, что белые карлики затвердевают в кристаллы, были обнаружены астрономами в Университете Уорика.

Наблюдения показали, что мертвые остатки таких звезд, как наше Солнце, называемые белыми карликами, имеют ядро ​​из твердого кислорода и углерода благодаря фазовому переходу в течение их жизненного цикла, подобному превращению воды в лед, но при гораздо более высоких температурах. Это может сделать их потенциально на миллиарды лет старше, чем считалось ранее.

Открытие под руководством доктора Пьера-Эммануэля Тремблея из физического факультета Университета Уорика было опубликовано в журнале Nature и в значительной степени основано на наблюдениях, сделанных спутником Gaia Европейского космического агентства.

Белые карлики являются одними из старейших звездных объектов во вселенной. Они невероятно полезны для астрономов, так как их предсказуемый жизненный цикл позволяет использовать их в качестве космических часов для оценки возраста групп соседних звезд с высокой степенью точности. Они — оставшиеся ядра красных гигантов после того, как эти огромные звезды погибли и потеряли свои внешние слои, и они постоянно охлаждаются, выделяя накопленное тепло в течение миллиардов лет.

Астрономы отобрали 15 000 кандидатов в белые карлики на расстоянии около 300 световых лет от Земли на основе наблюдений, проведенных обсерваторией Gaia, и проанализировали данные о яркости и цветах звезд.

Они определили группу звезд — превышение количества звезд при определенных цветах и ​​яркости, которые не соответствуют какой-либо одной массе или возрасту. По сравнению с эволюционными моделями звезд, эта группа сильно совпадает с фазой их развития, в которой, по прогнозам, скрытое тепло выделяется в больших количествах, что приводит к замедлению процесса их охлаждения. По оценкам, в некоторых случаях эти звезды замедлили свое старение на целых 2 миллиарда лет.

Доктор Тремблей сказал: «Это первое прямое доказательство того, что белые карлики кристаллизуются или переходят из жидкого в твердое состояние. Пятьдесят лет назад было предсказано, что мы должны наблюдать увеличение количества белых карликов при определенных значениях яркости и цвета до кристаллизации и только сейчас это наблюдается.

«Все белые карлики кристаллизуются в какой-то момент своей эволюции, хотя более массивные белые карлики проходят через процесс раньше. Это означает, что миллионы белых карликов в нашей галактике уже завершили этот процесс и по сути являются кристаллическими сферами на небе. Солнце само станет кристаллическим белым карликом примерно через 10 миллиардов лет».

Кристаллизация — это процесс превращения материала в твердое состояние, в котором его атомы образуют упорядоченную структуру. При экстремальных давлениях в ядрах белых карликов атомы упаковываются настолько плотно, что их электроны становятся несвязанными, оставляя проводящий электронный газ, управляемый квантовой физикой, и положительно заряженные ядра в жидкой форме. Когда ядро ​​охлаждается примерно до 10 миллионов градусов, выделяется достаточно энергии, чтобы жидкость начала затвердевать, образуя металлическое ядро ​​в его сердце с оболочкой, усиленной углеродом.

«У нас есть не только свидетельство выделения тепла при затвердевании, но для объяснения наблюдений требуется значительно больше выделения энергии. Мы считаем, что это связано с тем, что кислород сначала кристаллизуется, а затем опускается в ядро — это подтолкнет углерод вверх и произойдет выделение энергии»

«Мы сделали большой шаг вперед в получении точных возрастов для этих более холодных белых карликов и, следовательно, старых звезд Млечного Пути. Большая часть заслуг этого открытия сводится к наблюдениям Gaia. Благодаря точным измерениям, на которые она способна, мы поняли строение белых карликов таким образом, каким мы никогда не ожидали. До Gaia у нас было 100-200 белых карликов с точным расстоянием и яркостью — и теперь у нас есть 200 000″ — говорят исследователи.

Pier-Emmanuel Tremblay et al, Core crystallization and pile-up in the cooling sequence of evolving white dwarfs, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-018-0791-x