Bílý trpaslík: definice, vznik a vlastnosti kompaktní hvězdy

Bílý trpaslík je kompaktní hvězda. Jejich hmota je namačkaná na sebe natolik, že se jedná o jedno z nejhustších běžně pozorovaných astronomických těles. Gravitace přitáhla atomy těsně k sobě a odebrala jim elektrony, čímž vznikl degenerovaný elektronový plyn, který brzdí další gravitační kolaps díky tzv. elektronové degeneraci (kvantově-mechanické vlastnosti fermionů). Hmotnost bílého trpaslíka je podobná hmotnosti Slunce, ale jeho objem je podobný objemu Země, což vede k extrémním průměrným hustotám řádově 10^6–10^9 g/cm^3. Takový objekt má typicky hmotnost kolem 0,5–0,7 M☉, poloměr srovnatelný se Zemí a velmi vysokou povrchovou gravitaci.

Bílí trpaslíci jsou konečným vývojovým stadiem všech hvězd, jejichž hmotnost není dostatečně vysoká na to, aby se staly neutronovými hvězdami. Více než 97 % hvězd v Mléčné dráze se stane bílými trpaslíky. ^§1 Poté, co skončí životnost hvězdy hlavní posloupnosti, v níž dochází ke slučování vodíku, se hvězda rozšíří na červenéhoobra, který ve svém jádře slučuje helium na uhlík a kyslík. Pokud červený obr nemá dostatečnou hmotnost pro fúzi uhlíku, kolem 1 miliardy K se v jeho středu nahromadí neaktivní uhlík a kyslík. Poté, co se zbaví svých vnějších vrstev a vytvoří planetární mlhovinu, zůstane po něm jádro, které je bílým trpaslíkem. Proces tvorby bílého trpaslíka trvá stovky až tisíce let od začátku intenzivního svícení planetární mlhoviny do ustálení horkého jádra.

Vlastnosti a fyzikální stav

V materiálu bílého trpaslíka již neprobíhají termojaderné reakce, takže hvězda nemá zdroj energie. Proti gravitačnímu kolapsu ji nepodporuje teplo z fúze. Hlavními vlastnostmi bílých trpaslíků jsou:

Podpora elektronovou degenerací: tlaku poskytovanému degenerovanými elektrony, nezávislému na teplotě, díky čemuž se udržuje rovnováha proti gravitačnímu zhroucení.
Hmotnostní omezení: existuje horní hranice hmotnosti (Chandrasekharova mez, ≈1,4 M☉), nad níž elektronová degenerace nestačí a objekt se zhroutí do neutronové hvězdy nebo exploduje jako supernova.
Hustota a poloměr: čím větší hmotnost bílého trpaslíka, tím menší jeho poloměr (hmotnostně-poloměrový vztah). Typické poloměry jsou řádově 0,01 R☉ (srovnatelné s poloměrem Země).
Povrchová teplota a záření: nově vzniklý bílý trpaslík má povrchovou teplotu desítky tisíc kelvinů a jasně modrobílý vzhled; postupným chladnutím přechází přes tisíce kelvinů do červenavých barev a po obrovsky dlouhé době by se stal tzv. černým trpaslíkem (teoretický stav, dosud v kosmu neexistuje kvůli krátké stáří vesmíru).
Atmosféra a spektrální třídy: většina má tenkou atmosféru tvořenou vodíkem nebo heliem; podle spektrálních vlastností se označují typy DA (vodíkové linie), DB (helium) apod.
Krystalizace jádra: při ochlazování může jádro bílého trpaslíka krystalizovat (uhlík/ kyslík), což uvolňuje latentiní teplo a ovlivňuje rychlost chladnutí — tento jev byl potvrzen pozorováním starších populací bílých trpaslíků.

Vývoj a osud

Hvězda jako naše Slunce se po vyčerpání paliva stane bílým trpaslíkem. Ke konci svého života projde fází červeného obra a poté ztratí většinu svého plynu, až se zbytek smrští a stane se mladým bílým trpaslíkem. Pro Slunce se tento proces očekává za přibližně 5–7 miliard let (červený obr a ztráta obálky) a vzniklý bílý trpaslík bude mít hmotnost přibližně 0,5–0,6 M☉.

Interakce v binárních systémech a kosmologický význam

V binárních systémech může bílý trpaslík akumulovat hmotu od doprovodné hvězdy. Rychlé hromadění může vést k termonukleární explozi na povrchu (nova) nebo při dosažení kritické hmotnosti k úplné explozi hvězdy jako supernova typu Ia, která je důležitá jako standardní svíce v kosmologii. Dále mohou fúze dvou bílých trpaslíků vyústit v těleso s vyšší hmotností či v explozi.

Pozorování

Bílé trpaslíky se detekují díky jejich vysoké povrchové teplotě (ve vývoji ihned po vzniku), spektrálním čarám v optické a ultrafialové části spektra a díky vysokému poměru pohyb/objem (často značný zdánlivý pohyb na obloze). Studium chladnutí a rozložení bílých trpaslíků ve hvězdokupách umožňuje odhadovat stáří populací hvězd.

Souhrnně jsou bílí trpaslíci klíčovými objekty pro porozumění hvězdné evoluci, termodynamice degenerovaných prostředí i pro měření kosmologických vzdáleností prostřednictvím supernov typu Ia.

Snímek Síria A a Síria B pořízený Hubbleovým vesmírným dalekohledem. Sírius B, který je bílým trpaslíkem, je vidět jako slabá světelná skvrna vlevo dole od mnohem jasnějšího Síria A.

Bílí trpaslíci

Historie

Bílí trpaslíci byli objeveni v 18. století. První bílý trpaslík, nazvaný 40 Eridani B, byl objeven 31. ledna 1783 Williamem Herschelem. ^p73 Je součástí tříhvězdného systému 40 Eridani.

Druhý bílý trpaslík byl objeven v roce 1862, ale zpočátku byl považován za červeného trpaslíka. Jednalo se o malou hvězdu poblíž hvězdy Sírius. Tento průvodce hvězdy, nazvaný Sírius B, měl povrchovou teplotu asi 25 000 kelvinů, takže byl považován za horkou hvězdu. Sírius B byl však asi 10 000krát slabší než primární hvězda Sírius A. Vědci zjistili, že hmotnost Síria B je téměř stejná jako hmotnost Slunce. To znamená, že kdysi byl Sírius B hvězdou podobnou našemu Slunci.

V roce 1917 objevil Adriaan van Maanen bílého trpaslíka, který se nazývá Van Maanen 2. Byl to třetí objevený bílý trpaslík. Kromě Síria B je to nejbližší bílý trpaslík k Zemi.

Záření a teplota

Bílý trpaslík má nízkou svítivost (celkové množství vyzařovaného světla), ale velmi horké jádro. Jádro může mít teplotu ¹⁰⁷ K, zatímco povrch pouze ¹⁰⁴ K.

Bílý trpaslík je při svém vzniku velmi horký, ale protože nemá žádný zdroj energie, postupně svou energii vyzáří a ochladí se. To znamená, že jeho záření, které mu zpočátku dodává modrou nebo bílou barvu, se časem zmenšuje. Během velmi dlouhé doby bílý trpaslík vychladne na teplotu, při které již nebude vyzařovat světlo. Pokud bílý trpaslík nezískává hmotu z doprovodné hvězdy nebo jiného zdroje, pochází jeho záření z jeho akumulovaného tepla. To se nenahrazuje.

Bílí trpaslíci chladnou pomalu ze dvou důvodů. Mají extrémně malý povrch, z něhož vyzařují teplo, takže chladnou postupně a zůstávají dlouho horké. Navíc jsou velmi neprůhlední. Degenerovaná hmota, která tvoří většinu bílého trpaslíka, zastavuje světlo a další elektromagnetické záření, takže záření neodnáší mnoho energie.

Nakonec se všichni bílí trpaslíci ochladí na černé trpaslíky, kterým se tak říká proto, že jim chybí energie k vytvoření světla. Žádní černí trpaslíci zatím neexistují, protože ochlazení bílého trpaslíka trvá déle, než je současné stáří vesmíru. Černý trpaslík je to, co z hvězdy zbude po vyčerpání veškeré její energie (tepla a světla).

Opětovné zapálení

Bílí trpaslíci se mohou znovu vznítit a explodovat jako supernovy, pokud získají více materiálu. Existuje maximální hmotnost bílého trpaslíka, při které zůstává stabilní. Tato hranice je známá jako Chandrasekharova mez.

Trpaslík může například přitahovat materiál z doprovodné hvězdy, čímž překročí Chandrasekharovu mez. Hmotnost navíc by mohla spustit reakci uhlíkové fúze. Astronomové se domnívají, že toto opětovné vzplanutí může být příčinou supernov typu Ia.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to bílý trpaslík?

Odpověď: Bílý trpaslík je kompaktní hvězda, jejíž hmota byla gravitací stlačena a byly jí odebrány elektrony.

Otázka: Jaká je hmotnost bílého trpaslíka ve srovnání se Sluncem?

Odpověď: Hmotnost bílého trpaslíka je podobná hmotnosti Slunce, ale jeho objem je podobný objemu Země.

Otázka: Jaké typy hvězd se stávají bílými trpaslíky?

Odpověď: Bílí trpaslíci jsou konečným vývojovým stádiem všech hvězd, jejichž hmotnost není dostatečně vysoká na to, aby se staly neutronovými hvězdami. Více než 97 % hvězd v Mléčné dráze se stane bílými trpaslíky.

Otázka: Jak vzniká červený obr?

Odpověď: Poté, co skončí životnost hvězdy hlavní posloupnosti, která spaluje vodík, hvězda se rozpíná a vzniká červený obr, který ve svém jádře slučuje helium na uhlík a kyslík. Pokud nemá dostatečnou hmotnost pro fúzi uhlíku, neaktivní uhlík a kyslík se nahromadí v jejím středu.

Otázka: Co se stane poté, co se zbaví svých vnějších vrstev a vytvoří planetární mlhovinu?

Odpověď: Po odhození vnějších vrstev a vytvoření planetární mlhoviny zůstane jádro, které se stane bílým trpaslíkem.

Otázka: Probíhají v bílém trpaslíku termojaderné reakce?

Odpověď: Ne, materiál v bílém trpaslíkovi již nepodléhá termojaderným reakcím, takže pro něj neexistuje žádný zdroj energie a nemůže být podporován teplem proti gravitačnímu kolapsu.

Otázka: Jak se naše Slunce stane bílým trpaslíkem?

Odpověď: Naše Slunce se stane bílým trpaslíkem, když mu ke konci života dojde palivo; nejprve projde fází červeného obra, pak ztratí většinu plynu, až se to, co zbylo, smrští na mladého bílého trpaslíka.