Полвека назад была высказана мысль, что при охлаждении в ядрах белых карликов происходит кристаллизация кислорода и углерода. В результате выделяется тепло, которое замедляет остывание звезды. Через 10 млрд лет наше Солнце превратится в такой же кристаллический белый карлик. В январе 2019 года учёные из Британии, Канады и США подтвердили эту парадоксальную модель эволюции звёзд на конференции Американского астрономического общества.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №2(42). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Испортил эпсилону знак,

Зажал он карлика в кулак,

И бледный карлик весь в кристаллик превратился.

И карлик в крик: постой, Давид,

Ты перестань меня давить,

Для астрофизики я б тоже пригодился!

Строфа из шуточной песни, которую Андрей Линде написал к 60-летию своего учителя Д.А. Киржница.

Белые карлики — это тлеющие остатки не особенно массивных звёзд, успевших выжечь своё ядерное топливо и потому обречённых на постепенное затухание. Все звёзды живут за счёт реакций термоядерного синтеза, начинающихся с превращения водорода в гелий. Самые лёгкие звёзды из семейства красных карликов на этом свой цикл и заканчивают, а светила помассивнее в конце жизни производят на свет более тяжёлые элементы.

Его типичная масса составляет от 0,5 до 1,3 массы Солнца, а радиус не превышает 0,01 солнечного. Плотность материи в центре белого карлика достигает десятков тонн на кубический сантиметр. Температура ядра новорождённого карлика — около 100 млн градусов, поэтому до его полного остывания пройдут сотни миллиардов, если не триллионы лет.

Но тут есть тонкость. Белый карлик — многокомпонентная динамическая система. Поэтому с теплом он расстаётся гораздо «сложнее», чем, например, раскалённый металл. На охлаждение звезды влияет множество процессов в ядре и плазменной оболочке. Самый парадоксальный был предсказан в двух статьях, опубликованных в 1960 году советским «Журналом экспериментальной и теоретической физики». Первую работу ещё в августе 1959‑го представил сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева Давид Киржниц. Вторая статья принадлежала будущему лауреату Нобелевской премии Алексею Абрикосову, работавшему в то время в Институте физических проблем. К аналогичным выводам годом позже пришёл профессор Корнеллского университета астрофизик Эдвин Солпитер.

Звезда ван Маанена Ближайший одиночный белый карлик находится на расстоянии 14,1 светового года от Солнца. Возраст оценивается в 10 млрд лет. В силу большого возраста температура поверхности составляет всего 4000 К.

Все эти учёные рассуждали примерно одинаково. С конца 1920‑х годов было известно, что вещество в центре карлика состоит из погружённых в электронный газ положительных ионов (фактически голых ядер) тех элементов, что образовались на заключительной стадии термоядерного синтеза. Однако астрофизики ещё долго не могли выяснить, на каком рубеже этот синтез прекращается. Киржниц предположил, что средний атомный номер таких элементов равен десяти и почти угадал: в Периодической таблице элементов углерод занимает шестое место, а кислород восьмое.

Сами же ионы в этих условиях ведут себя как классические частицы, взаимодействующие между собой согласно закону Кулона. Такая система называется кулоновской плазмой.

Самая яркая звезда в ночном небе — это Сириус А и её крошечный спутник — белый карлик Сириус В. Диаметр Сириуса B равен 12 000 километров, а яркость примерно в 10 000 раз слабее, чем у Сириуса А. Экранирование светом более яркого спутника затрудняет изучение белого карлика. Однако астрономы смогли изолировать свет Сириуса B и рассеять в спектре. Это позволило вычислить его массу — 98% солнечной. Также получилось оценить температуру поверхности карлика — 25 000 °С.

А теперь самое интересное. Пока ядро карлика остаётся очень горячим, ионы совершают хаотические движения, и кулоновская плазма мало чем отличается от идеального газа. Однако при снижении температуры кулоновское взаимодействие между ионами вынуждает их переходить от хаоса к геометрическому порядку. Погружённые в электронное «море» ионы образуют правильную периодическую решётку — перестраиваются в кристаллическую структуру. Это происходит потому, что решётка имеет меньшую энергию, чем хаотическое распределение. Кристаллизация энергетически выгодна ионам. Этот процесс ничем не отличается от замерзания воды при нулевой температуре.

Насколько должен остыть карлик, чтобы произошла кристаллизация? Точный ответ неизвестен и сейчас, а приблизительный был дан давно. В 1966 году отец американской водородной бомбы Эдвард Теллер подсчитал, что в данном случае температура фазового перехода примерно равна 10 млн градусов. Значит, для кристаллизации ядра его первоначальная температура должна понизиться где-то на порядок.

Задачу попытался решить в 1968 году профессор физики и астрономии Ро­­чес­тер­ского университета Хью ван Хорн, который представил модель крис­таллизации ядер белых карликов, сославшись на работы Киржница, Абрикосова и Солпитера. В своей статье в Astrophysical Journal он проанализировал результаты измерений абсолютной яркости 65 белых карликов, опубликованные тремя годами ранее. Они позволили разделить звёзды на две группы, в одной из которых ван Хорн увидел кандидатов в карлики с кристаллическими ядрами. Однако позднее он признал свой вывод преждевременным, так что вопрос об адекватности модели оставался открытым.

Процесс кристаллизации ядра должен отразиться на светимости белого карлика. Для её измерения нужно знать его видимую яркость и расстояние от Солнечной системы. Поэтому для надёжной проверки модели требовалось как можно больше данных. Первый реальный успех пришёл недавно. В 2009 году были опубликованы результаты наблюдений белых карликов, входящих в состав старого (свыше 13 миллиардов лет!) шарового звёздного скопления NGC 6397, удалённого от Солнца на 7800 световых лет. Данные об их абсолютной светимости хорошо подтвердили модель кристаллизации. Такие же выводы были получены при наблюдении аналогичных скоплений — глобулярных кластеров.

Бинарная система с белым карликом

Работа с глобулярными кластерами решает проблему определения дистанции. Понятно почему — поперечник клас­тера много меньше, чем его расстояние до Солнца, поэтому все наблюдаемые звёзды можно считать равноудалёнными. Однако подобные скопления содержат звёзды-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 начальных масс.

Ближайший к Земле глобулярный ­кластер M4 (четвёртый объект в каталоге звёздных скоплений и туманностей Мессье) содержит более 100 000 звёзд. M4 стал объектом наблюдения ­телескопа «Хаббл», искавшего белых ­карликов. Расстояние до кластера — 7000 световых лет.

Совсем недавно такие сведения стали доступны, чем и воспользовались ­Пьер-Эммануэль Трамбле и его коллеги из Уорикского университета. В качестве источника первичных данных они взяли второй отчёт европейской космической обсерватории Gaia, обнародованный в 2018 году. Её аппаратура очень точно измеряет видимую яркость звёзд и определяет их годичные параллаксы, а следовательно, и расстояние до них. Были проанализированы сведения о светимости и массах 15 тысяч белых карликов, расположенных от нас в радиусе 100 парсек (320 световых лет). Учёные впервые получили возможность работать с действительно репрезентативной популяцией этих звёзд.

Результаты вполне оправдали ожидания. Сравнивая светимость и цветовые характеристики белых карликов, астрономы из группы Трамбле показали реальность именно такого остывания ядер, которое следует из модели кристаллизации. Они также показали, что кристаллизация наступает тем раньше, чем больше начальная масса карлика. Ядра самых массивных претерпевают это превращение где-то через миллиард лет после рождения. С карликами полегче (вроде того, в который когда-нибудь превратится Солнце) такая метаморфоза случается через пять-шесть миллиардов лет.

Однако это не всё. В конце 1980‑х — начале 1990‑х годов было предсказано, что охлаждение белого карлика с началом кристаллизации должно дополнительно замедлиться за счёт постепенного погружения в центр звезды ядер углерода и кислорода. В процессе этого погружения выделяется гравитационная энергия, которая переходит в тепло и препятствует остыванию; растёт отношение концентрации кислорода к концентрации углерода. Причина в том, что кислород кристаллизуется быстрее углерода и потому накапливается в самом центре карлика. Трамбле с коллегами нашёл подтверждение и этому прогнозу.

Журналисты нередко пишут, что ядро стареющего белого карлика превращается в алмаз. Конечно, это не так — хотя бы потому, что алмаз состоит из чистого углерода. Однако и без этого эволюция ядер белых карликов впечатляет. Жаль только, что экспедиция в их недра нам никак не светит.