Неон обвинили в аномальном остывании белых карликов

Астрофизики предложили модель, которая позволит объяснить задержку в остывании части массивных белых карликов и формирование отдельной группы из этих светил. Согласно предложенной идее, за это отвечает оседание неона в ядрах звездных остатков — оно приводит к дополнительному энерговыделению, пишут авторы в препринте на сайте arXiv.org.

Белые карлики — это конечная стадия эволюции маломассивных звезд, во вселенной которых большинство. После исчерпания доступного термоядерного топлива эти светила сходят с главной последовательности и сбрасывают внешние слои, оставляя горячее и пассивно остывающее ядро. Обычно получившийся карлик состоит практически полностью из кислорода и углерода, а от дальнейшего сжатия его удерживает давление вырожденных электронов.

На диаграмме Герцшпрунга – Рассела, показывающей распределение звезд по цвету и яркости, белые карлики группируются в области бело-голубых цветов и малых светимостей. Долгое время считалось, что ветвь белых карликов едина, но результаты обзоров космического телескопа Gaia позволили выделить в ней определенную структуру. Сегодня, таким образом, выделяет три ветви — A, B и Q — которые называются по типам преимущественно входящих в них белых карликов DA (с атмосферными линиями водорода в спектре), DB (с линиями гелия) и DQ (с линиями углерода), соответственно. Природа первых двух ветвей в целом ясна — это белые карлики стандартных масс (около 60 процентов солнечной) с несколько разным составом атмосфер. 

А вот ветвь Q вызывает вопросы. В первую очередь это связано с тем, что она не похожа ни на какие теоретические эволюционные траектории: из-за этого ее невозможно объяснить сгущением звезд с определенными параметрами на диаграмме. Также объекты из этой группы, как правило, очень массивны (тяжелее Солнца), а также у них наблюдаются необычно высокие скорости, которые свойственны старым телам, испытавшим взаимодействия. Однако положение этих звезд на диаграмме не говорит об их большом возрасте, что стало причиной гипотезы, согласно которой ветвь Q состоит из белых карликов с задержкой в остывании.

В пользу этой идеи говорит то, что ветвь Q совпадает с теоретическим положением группы массивных белых карликов, ядра которых испытывают фазовый переход в твердое состояние. Кристаллизация может приводить к выделению дополнительной энергии, которая снаружи будет выглядеть как задержка в остывании, но описанных механизмов разогрева недостаточно для объяснения наблюдаемого скопления звезд на ветви Q.

Астрофизики из США и Японии при участии Сычао Чэна (Sihao Cheng) из Университета Джонса Хопкинса провели статистическое моделирование эволюции белых карликов при различных параметрах. В модели учитывается не только пассивная эволюция звезд, но и их парные слияния, которые могут приводить к несоответствию реального и кажущегося возраста, а также скорость и возраст объектов. Затем программа пытается найти набор параметров, который позволяет добиться наиболее точного соответствия между результатами вычислений и наблюдениями 1066 массивных белых карликов из второго каталога Gaia.

Авторы заключили, что данные хорошо удается объяснить моделью, в которой шесть процентов массивных белых карликов испытывают задержку в остывании на 8 миллиардов лет. Столь длительное запаздывание приводит к накоплению звезд на определенных этапах эволюционных треков, что мы можем наблюдать в виде ветви Q, которая наполовину состоит из таких задержавшихся светил.

Ученые заключили, что физический процесс, который вызывает этот эффект, должен удовлетворять трем параметрам: он должен сказываться в наибольшей степени именно для карликов на ветви Q, применяться всего к шести процентам популяции и должен быть достаточно мощным, чтобы вызывать дополнительную задержку на 8 миллиардов лет. Эти условия значительно сокращают количество вариантов, так как, например, разделение фаз при кристаллизации не будет так селективно сказываться на нужном подмножестве объектов.

Всем перечисленным параметрам удовлетворяет предложенное ранее оседание неона-22 в ядрах белых карликов. Высокая сила притяжения этих компактных звезд приводит к выделению заметной энергии при гравитационной дифференциации изотопов. Дополнительные вычисления показывают, что ожидаемые параметры белых карликов, у которых данный процесс будет наиболее интенсивен, совпадает и по форме соответствует ветви Q.

Ранее телескоп Gaia нашел первый «грязный» белый карлик, в атмосфере которого наблюдается много металлов. Также ученые теоретически описали способ заметить гелиевые вспышки звезд, которые считались ненаблюдаемыми. Российские астрономы впервые увидели сжатие молодого белого карлика.