Плавучие кристаллы объяснили задержку охлаждения массивных белых карликов

Астрономы описали механизм задержки кристаллизации некоторых массивных белых карликов, приводящий к появлению популяции белых карликов с необычно постоянной светимостью. Предполагается, что внутри них из-за наличия примеси изотопа неона ²²Ne действует процесс дистилляции вещества, приводящий к образованию плавучих кристаллов и возникновению конвекционных потоков. Статья опубликована в журнале Nature.

Белые карлики представляют собой заключительный этап жизни звезд массой до 8-11 масс Солнца, подобная судьба ждет и нашу звезду. При размерах, сравнимых с Землей, масса этих объектов составляет от 0,6 до 1,44 массы Солнца, а состоят они в основном из углерода и кислорода или кислорода и неона (с небольшим количеством углерода), а также внешней оболочки из гелия и водорода. Рождаясь очень горячими (поверхностная температура до двухсот тысяч кельвинов), эти компактные объекты постепенно остывают, из-за чего внутри них, в вырожденном веществе, идут процессы кристаллизации.

Если поместить известные белые карлики на диаграмму Герцшпрунга — Рассела, то на ней будут выделяться три ветви. Две из них связаны с белыми карликами, обладающими атмосферами, богатыми водородом или гелием, а природа третьей, Q-ветви, до конца не ясна. Предполагается, что объекты, попадающие на эту ветвь, представляют собой некоторые (5–9 процентов от общего числа) из массивных белых карликов с задержкой в охлаждении, составляющей, по крайней мере, восемь миллионов лет, что проявляется в сохранении постоянной светимости. В стандартной модели фазовый переход в твердое состояние вещества белого карлика идет непрерывно и направлен к поверхности, при этом может высвобождаться энергия, однако всех возможных ее источников не будет хватать для объяснения столь большой задержки.

Группа астрономов во главе с Антуаном Бедаром (Antoine Bédard) из Уорикского университета представила возможное объяснение природы Q-ветви. Ученые провели моделирование процесса охлаждения массивных (1–1,25 массы Солнца) белых карликов с достаточно высоким содержанием изотопа ²²Ne (около трех процентов от массы). Карлики обладали однородным углеродно-кислородно-неоновым ядром, окруженным гелиевой мантией и внешним слоем из водорода.

Ученые рассуждали следующим образом. Считается, что большинство массивных белых карликов будут иметь кислородно-неоновые ядра, которые стандартно кристаллизуются, однако во время некоторых событий слияний должны образовываться углеродно-кислородные белые карлики со значительным количеством тяжелых примесей, богатых нейтронами, такими как ²²Ne. Он возникает в ядре прародителей белого карлика за счет ядерных реакций: на стадии горения водорода образуется изотоп ¹⁴N, а на стадии горения гелия он превращается в ²²Ne.

В таких карликах, вместо обычного процесса накопления тяжелых кристаллов на границе твердой фазы вещества белого карлика, будут действовать макроскопические конвекционные потоки, создаваемые за счет всплывания кристаллов, более легких, чем окружающая жидкость, их таяния и оседания расплава вниз с последующим образованием новых кристаллов. Седиментация богатого нейтронами вещества, в свою очередь, приводит к увеличению плотности в центральной зоне карлика и дополнительному высвобождению энергии, радиус звезды при этом уменьшается на примерно один процент. Моделирование эволюции белого карлика с массой 1,15 массы Солнца показывает, что массовая доля ²²Ne вырастет с трех до тридцати процентов за десять миллионов лет из-за действия механизма дистилляции в его недрах.

Результаты моделирования сравнивались с данными наблюдений космического телескопа Gaia и показали хорошее сходство, включая положение и ширину Q-ветви, а также тот факт, что часть населения ветви демонстрирует большой дефицит гелия, что интерпретировалось как результат слияния звезд.

Ранее мы рассказывали о том, как ученые отыскали двуликий белый карлик.