Спросите Итана: могут ли недозвёзды всё-таки стать звёздами?

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/06/24/ask-ethan-can-failed-stars-eventually-succeed/
  • Перевод

Ближайшая к Земле система с коричневым карликом, Луман 16, в целом содержит достаточно массы, чтобы сформировать звезду-красного карлика, если бы собрать всё, что там есть, вместе. Вопрос, произойдёт ли это когда-нибудь в нашей Вселенной, достаточно интересный

В ночном небе отлично видны звёзды, находящиеся в любом направлении от нас, куда бы мы ни посмотрели. Но на каждую звезду, собравшую достаточно массы для того, чтобы запустить ядерный синтез у себя в центре, сжигая водород, превращая его в гелий, и преобразуя материю в энергию через E = mc2, найдётся множество других объектов, не достигших этого. Большая часть комков массы, начинающих формироваться в туманности, никогда не вырастают до достаточно больших размеров, чтобы стать звездой — вместо этого они становятся фрагментированными газовыми облаками, астероидами, скалистыми мирами, газовыми гигантами или коричневыми карликами. Коричневые карлики — это «недозвёзды» Вселенной, собравшие достаточно массы для того, чтобы запустить реакции синтеза редких изотопов, но недостаточно для того, чтобы стать истинными звёздами. Но многие коричневые карлики существуют в парах, из-за чего наш читатель и задался следующим вопросом:
Будет ли орбита этих коричневых карликов со временем становиться всё меньше из-за потери энергии на гравитационные волны? Сольются ли они в итоге? Если так, что произойдёт после этого? Станут ли они настоящей звездой, осуществляющей синтез? Или чем-то совсем другим?

В астрономии, как и в жизни, просто потому, что у вас что-то не получилось с первого раза, не означает, что у вас этого никогда не получится. Начнём с тех звёзд, которые смогли.


Иллюстрация гигантской планеты, вращающейся вокруг звезды-красного карлика. Разница между планетой, недозвездой и истинной звездой заключается только в массе

Чтобы зажечь ядерный синтез в центре звезды, и заставить ядра водорода вступать в реакцию синтеза, необходимо достичь температур порядка 4 000 000 К. Газ в межзвёздном пространстве, из которого формируются звёзды, достаточно холодный — всего несколько десятков градусов выше абсолютного нуля. Но потом подключается гравитация и заставляет облако газа схлопываться. В это время атомы внутри набирают скорость, сталкиваются друг с другом и разогреваются. Если бы атомов было немного, они бы излучили это тепло в межзвёздное пространство, отправляя потоки света путешествовать сквозь всю галактику. Но если собрать вместе множество атомов, они не выпускают этот свет, из-за чего внутренности газового облака начинают разогреваться.


Созвездие Ориона, вместе с огромным комплексом молекулярного облака и самыми яркими звёздами. Многие новые звёзды формируются из-за коллапса газа, не дающего теплу убегать из места формирования звезды

Если сформируется что-то небольшое, массой с астероид, Землю или даже Юпитер, оно сможет разогреться до тысяч или даже десятков тысяч градусов в ядре — но это всё равно будет очень далеко от температуры синтеза. Но достигнув определённой критической массы — примерно тринадцати масс Юпитера — вы получите температуры порядка 1 000 000 К. Этого недостаточно для синтеза гелия из водорода, но это критическая температура для определённой реакции: синтеза дейтерия. У порядка 0,002% водорода во Вселенной в ядре находится не просто протон, а протон, связанный с нейтроном, то есть, дейтрон. При температурах в миллион градусов дейтрон и протон способны синтезировать гелий-3 (не очень распространённый изотоп гелия), и эта реакция происходит с выделением энергии.

g
Цепная реакция протон-протон, отвечающая за большую часть энергии Солнца — пример ядерного синтеза. При синтезе дейтерия может происходит только реакция 2H (дейтерий) + 1H (протон) -> 3He (гелий-3)

Это важно! Этот выход энергии, особенно в фазе протозвезды, выдаёт излучение высокой энергии, сопротивляющееся внутреннему гравитационному схлопыванию, и предотвращающее слишком сильный разогрев центра, который мог бы поднять температуры до 4 000 000 К. Это даёт дополнительное время — десятки тысяч лет и более — на то, чтобы собрать ещё больше массы. Ведь как только звезда начинает синтез из чистого водорода (протонов), выход энергии становится таким большим, что звезда уже не растёт — поэтому ранние этапы развития критичны. Если бы не участие дейтерия в синтезе, самые крупные звёзды превышали бы Солнце по массе максимум в три раза, а не в сотни раз, как те, что сейчас имеются у нас поблизости.


Композитное изображение первой экзопланеты из когда-либо наблюдавшихся напрямую (красная) и её материнского коричневого карлика. Истинная звезда была бы физически больше и её масса была бы больше, чем у этого коричневого карлика.

Чтобы добраться до температуры ядра в 4 000 000 К и стать истинной звездой, необходимо набрать не менее 7,5% солнечной массы: порядка 1,5 × 1029 кг. Чтобы стать коричневым карликом и запустить синтез с использованием дейтерия, необходимо от 2,5 × 1028 кг до 1,5 × 1029 кг. И точно так же часто, как двойные звёзды, в космосе встречаются двойные коричневые карлики.


Два коричневых карлика, составляющих систему Луман 16, и они в итоге могут слиться вместе и создать звезду

На самом деле, ближайший к нам коричневый карлик, система Луман 16 — двойная система. Также известно, что вокруг других коричневых карликов двигаются по орбитам гигантские планеты. В случае Лумана 16 были определены следующие массы двух коричневых карликов:

1. Основной — от 8,0 × 1028 до 1,0 × 1029 кг.
2. Вторичный — от 6,0 × 1028 до 1,0 × 1029 кг.

Иначе говоря, существует отличный шанс, что если эти две недозвезды, вращающиеся вокруг друг друга на расстоянии, примерно в три раза превышающем расстояние от Солнца до Земли, объединятся, они сформируют настоящую звезду. Любое добавление массы, переносящее недозвезду через рубеж массы, необходимый для запуска сжигания водорода, превратит её в звезду.


Два коричневых карлика, составляющих Луман 16, были 12 раз сфотографированы телескопом Хаббла, и мы определили их движение и относительные орбиты за период в несколько лет

Интуиция не подводит нашего читателя: да, вращающиеся вокруг друг друга массы испускают гравитационные волны, и это излучение заставит орбиты уменьшаться. Но для подобных масс и расстояний на это уменьшение уйдёт где-то порядка 10200 лет, что гораздо, гораздо дольше времени жизни Вселенной. Это даже дольше, чем время жизни вообще любой звезды, или даже галактики, или даже центральной чёрной дыры в галактике. Если вы соберётесь подождать, пока гравитационные волны превратят эту пару коричневых карликов в звезду, ждать вам придётся разочаровывающе долго.


Сценарий падения друг на друга по спирали из-за гравитационных волн для двух так хорошо разделённых коричневых карликов, как эти, займёт очень долгое время. Но столкновения весьма вероятны. Точно так же, как красные звёзды при столкновении производят отдельные голубые звёзды, столкновения коричневых карликов могут породить звёзды-красные карлики.

Периодически объекты в космосе сталкиваются. Тот факт, что звёзды, недозвёзды, бродячие планеты и всё остальное движется в галактике, в основном под воздействием гравитации, означает, что существует конечная вероятность того, что два объекта случайно столкнутся. Это гораздо лучше, чем ожидать уменьшения орбиты благодаря гравитационным волнам, кроме особо экстремальных случаях. На временной шкале порядка 1018 лет, «всего» в 100 млн раз больше, чем текущий возраст Вселенной, коричневые карлики случайно будут сталкиваться либо с другими коричневыми карликами, либо со звёздными трупами, и порождать новую жизнь у недозвезды. По нашим оценкам, эта судьба ждёт порядка 1% всех коричневых карликов.


Атмосфера Солнца не ограничена фотосферой или даже короной, но простирается на миллионы километров в космосе, даже при условиях отсутствия вспышек и выбросов

Но даже если вы не можете ждать, пока сработает гравитационное излучение, и вам не повезёт столкнуться с ещё одним коричневым карликом в межзвёздном пространстве, у вас всё равно будет шанс объединиться. Обычно мы представляем себе, что у звёзд есть определённое пространство, которое они занимают в космосе, определённый объём. Мы точно так же представляем себе, например, атмосферу Земли: будто у неё есть чёткое окончание, граница, между тем, что мы считаем атмосферой, и космосом. Это глупо! На самом деле атомы и частицы простираются на миллионы километров, а вспышки от звёзд бывают больше, чем радиус орбиты Земли. Недавно было обнаружено, что коричневые карлики тоже испускают вспышки — точно так же, как спутник на низкой орбите в итоге упадёт обратно на Землю, так и трение, оказываемое друг на друга коричневыми карликами, в итоге притянет их друг к другу. Для Лумана 16 это не сработает, но если бы расстояние между двумя недозвёздами было сравнимо с расстоянием от Солнца до Меркурия, а не с расстоянием от Солнца до Цереры, этот эффект мог бы сработать.


Многолетнее исследование Луиджи Бедина по наблюдению за недозвёздами Лумана 16 показало нам, как их расположение и движение меняются со временем, с циклической последовательностью, происходящей из-за годового движения Земли

Так что же произойдёт после слияния или столкновения? Такие события редки, и отнимут времени больше, чем текущий возраст Вселенной. К тому времени даже коричневый карлик израсходует весь свой дейтерий, а его труп охладится до температуры всего в несколько градусов выше абсолютного нуля на поверхности. Но энергии столкновения или слияния должно быть достаточно, чтобы создать такие давление и жар в ядре, которые всё же смогут — если рубеж критической массы будет перейдён — запустить ядерный синтез. Звезда будет обладать малой массой, красным цветом и жить очень долго, более 10 триллионов лет. Когда недозвезда наконец зажжётся, она, скорее всего, за время своей жизни станет единственной звездой, светящейся в галактике; такие события будут редкими и далеко разнесёнными по времени. Однако тип этой звезды окажется интересным сам по себе.


Когда два коричневых карлика в отдалённом будущем всё же сольются, они, вероятно, станут единственным светом в ночном небе, поскольку все остальные звёзды уже догорят. Полученный красный карлик станет основным источником света, оставшимся к тому времени во Вселенной.

Она будет так медленно жечь своё горючее, что гелий-4, который при этом получается — результат реакции синтеза с участием водорода в ядре — в результате конвекции будет уходить из ядра, что позволит поучаствовать в синтезе дополнительному водороду. Конвекция будет настолько эффективной, что в звезде до конца сможет сгореть 100% водорода, в результате чего останется сплошная масса атомов гелия. Для горения этого гелия массы будет недостаточно, поэтому звёздные останки сожмутся до такого типа звезды, которого пока ещё нет в нашей Вселенной: гелиевого белого карлика. На то, чтобы этот белый карлик остыл и перестал светится, уйдёт порядка квадриллиона лет, а в это время другие коричневые карлики галактики будут сталкиваться и зажигаться. К тому времени, как недозвезда наконец добьётся успеха и пройдёт через весь свой жизненный цикл, став чёрным карликом, своей возможности дождётся ещё одна недозвезда.


Сравнение по цветам и размерам белого карлика (слева), Земли, отражающей солнечный свет (в середине) и чёрного карлика (справа). Когда белые карлики наконец испустят остатки своей энергии, все они в итоге станут чёрными карликами

Если бы вы могли стать бессмертным, вы, в принципе, могли бы путешествовать от одной недозвезды до другой, получая энергию от последних редких удач Вселенной. Большая часть недозвёзд останется в таком состоянии навсегда, но некоторые, которым улыбнётся удача, будут гореть гораздо позже того, как все остальные источники света потухнут. Как гласит знаменитая фраза Уинстона Черчилля: «Успех не окончателен, неудачи не фатальны, значение имеет лишь мужество продолжать». Возможно, это справедливо даже для звёзд, и даже больше, чем для нас с вами.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 19
  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • +3
      Может зададим-таки Итану вопрос, знает ли он ту самую песню группы Комплексные числа?
      Если нет, думаю, он будет от неё в восторге. Его тема.
      • +2
        Это про
        Песня complex numbers Неизбежность
        ?
        Можно написать интересную фантастику на эту тему.
        Последняя звезда. Абсолютно черное небо. И даже самые мощные из их телескопов видят только черноту…
        У звезды 2 обитаемые планеты.
        И их расы объединяют свои усилия в поисках последней черной дыры и используя её энергию прибивают тоннель в молодую вселенную.
        • +1
          В сериале Доктор Кто полно серий на эту тему
        • +2
          звёздные останки сожмутся до такого типа звезды, которого пока ещё нет в нашей Вселенной: гелиевого белого карлика.
          — вообще-то гелиевыми, насколько мне известно, в русскоязычной терминологии принято называть белые карлики спектрального класса DB с гелиевой атмосферой, которых около 20% от всех открытых белых карликов. Если же говорить о белых карликах, которые практически полностью состоят из гелия (с металличностью исходного материала, из которого они образовались), то на мой взгляд их существование в современной Вселенной вполне вероятно — они могут образовываться в тесных двойных системах, в случае, если их релятивистский компаньон поглотит их внешние слои после выгорания водорода в их ядре, но до начала горения гелия.
          • –2
            Вы открыли новую форму гелия — металлическую? И каким образом благородный газ становится металлом?
            При самой большой неудаче гелий в ядре станет при остывании жидким, получив разве что в самом центре достаточное давление для твердого состояния.
            • +1
              Металличностью звезды в астрономии называют относительную концентрацию элементов тяжелее гелия. Это уточнение состава белого карлика — ведь он не будет состоять из гелия на 100%, потому что звезда, из которой он образуется, образовалась из туманности, содержащей остатки сверхновых предыдущих поколений звёзд.
              • 0
                Ага, понял, о чем речь. И понятно, что в атмосфере из водорода и гелия любое другое вещество «утонет», если только странное уравнение состояния не отклонится существенно от идеального газа (PV = nu*RT). А так как плазма в звезде всегда имеет температуру выше критической (см. картинку тут), то как идеальный газ описывается некоторым «молярным объемом», зависящим от местного давления и температуры.
                Тут нужно прикинуть, из чего возникает белый карлик и на какой он стадии. Может у нас на поверхности кипит вольфрам даже (все равно он тяжелый и опустится ниже).
                • 0
                  В белом карлике не идеальный, а вырожденный газ. У него уравнение состояния совершенно другое. Давление вырожденного газа при фиксированном объеме не зависит от температуры.
                  • 0
                    Хорошо, условие вырождения у нас n^(-1/3) ~ h/p. При этом получается:
                    … заполнены все нижние энергетические уровни вплоть до некоторого максимального, называемого уровнем Ферми, а все последующие остаются пустыми.

                    При этом для условного гелия лучше всего брать соотношение p_x ~= (2*m*kT/2)^(1/2) — я беру, что мы считаем не полную длину волны де Бройля, а оцениваем волновой вектор вдоль каждой из координат.
                    Итого получаем:
                    n^(-1/3) ~ h*(2*m*kT/2)^(-1/2)
                    n ~ h^(-3)*(2*m*kT/2)^(3/2)
                    Так как соотношение p = nkT тут в целом не работает, то для честного расчета зависимости давления от температуры начинаем вспоминать с этой формулы:
                    dF = -PdV -SdT -> P = — dF/dT (частная конечно).
                    Зависимость потенциала F = U — TS от температуры по идее как-то можно выразить именно через распределение Ферми-Дирака:
                    N(E) ~ 1/[1 + exp {(E-mu)/(kT)}]
                    Когда Вы считаете газ вырожденным, это у нас E-mu >> kT или E-mu << kT, как я понимаю.
                    Я стат. физику плохо помню, но как-то можно строго посчитать, как именно давление «не зависит от температуры».
                    Ну и в конце мы можем сжимать ферми-газ только до тех пор, пока он не станет бозе-газом — после этого его можно будет сжать ещё больше:)
                    • 0
                      > Когда Вы считаете газ вырожденным, это у нас E-mu >> kT или E-mu << kT, как я понимаю.

                      mu >> kT, где mu — энергия Ферми. При T=0, в основном состоянии газа, энергии всех электронов E<=mu.

                      > Я стат. физику плохо помню, но как-то можно строго посчитать, как именно давление «не зависит от температуры».

                      На пальцах объяснить легко. Давление создают и возбужденные электроны, и те, которые сидят в основном состоянии (ведь последние тоже движутся, и при отражении от стенки будут передавать ей импульс). Когда kT много больше энергии Ферми, возбужденных электронов во-первых мало, а во вторых их импульс лишь ненамного выше импульса невозбужденных. Так что практически все давление вызывается невозбужденными электронами, а уравнение состояния газа получается P = a V^{-5/3}, где a — константа не зависящая от температуры. Зависимость от температуры конечно есть, но она дает в это уравнение только небольшую добавку, зависящую от температуры квадратично.

                      Благодаря этому свойству вырожденного газа в частности происходят такие астрофизические явления, как гелиевые вспышки красных гигантов (резкое начало реакции превращения гелия в углерод в ядре гиганта) и сверхновые типа Ia (взрывы углеродно-кислородных белых карликов). Общая схема этих процессов одинакова: начинается термоядерная реакция, температура растет, но вещество не расширяется (так как давление не увеличивается), реакция охватывает все запасы горючего, и только когда температура значительно превышает энергию Ферми и вырожденный газ превращается в обычный — происходит взрыв.

                      > Ну и в конце мы можем сжимать ферми-газ только до тех пор, пока он не станет бозе-газом — после этого его можно будет сжать ещё больше

                      Не можем. Если начать сжимать вещество белого карлика, то в какой-то момент энергия Ферми электронов превысит порог, после которого становится энергетическим выгодным поглощение электрона протоном с образованием нейтрона. Количество электронов начнет уменьшатся, вещество сжиматься, пока белый карлик не превратится в нейтронную звезду, состоящую уже из вырожденного нейтронного газа (с небольшой примесью протонов и электронного газа, блокирующего распад нейтронов). Но нейтроны — по прежнему фермионы. И даже если нейтроны в ядре звезды развалятся на кварки — кварки тоже фермионы. Превратить фермионный газ в бозонный повышением давления нельзя. Все ровно наоборот — только при низком давлении фермионы могут объединяться в изолированные друг от друга группы с целым спином. Вот например тот же гелий — атом гелия-4 в целом обладает свойствами бозона, благодаря чему и существует сверхтекучесть.
                      • 0
                        И за счет соотношения P = a V^{-5/3} выходит так, что выше предела Чандрасекара радиус белого карлика расти не может, так как для удержания силы гравитации ro*g*dV необходимое давление PdS возможно лишь при меньшем радиусе звезды. А при уменьшении радиуса звезды при постоянной массе гравитация растет как g~r^-2, а давление значит как
                        P = a V^{-5/3} ~ a r^{-5} -> PV ~ r^{-2}, а сила гравитации остается по идее равной
                        M * int{0_R}{r*r^2*dr}.
                        В итоге при росте массы радиус такой звезды должен падать (инфа по Вики, сам не считал). Что означает конечно коллапс, а при столкновении 2 белых карликов — вероятно коллапс тоже почти всегда, если только взрыв не унесет большой процент вещества.
                        • 0
                          Ещё я хотел вспомнить, что изначально речь шла про остывающую звезду. То есть это когда красный/оранжевый карлик смог пеергнать все изотопы водорода в гелий-4, но для дальнейшей реакции 4*He-4 -> C-12 не хватило либо температуры, либо времени, пока падение температуры не слишком уменьшает вероятность процесса.
                          Вот после этого уже идет остывание гелиевой плазмы и карлик уже не только на поверхности не «белый», но и в значительной части объема (по массе) соотношение
                          E_F-E1 >> kT, выполняется для почти любой температуры E1 ниже уровня Ферми — там действительно поправки по формуле
                          P = — dF/dT будут малыми.
                • 0
                  Забавно, но гелий в белом карлике в физическом смысле будет именно что металлом (блестящим веществом с высокой электропроводностью). Белые карлики состоят из плазмы, электроны от ядер отодраны и могут свободно путешествовать по всему объему карлика. Состояние с минимально возможной энергией для такой системы — вырожденный электронный газ (т.е. электроны в соответствии с принципом Паули последовательно заполняют все уровни). Ровно в таком же состоянии — вырожденного газа — находятся валентные электроны в металлах при абсолютном нуле.

                  Электроны в веществе белого карлика имеют большую кинетическую энергию, но передать ее чему либо (в том числе ядрам) не могут, поскольку это привело бы к нарушению принципа Паули. Поэтому система ядер может остыть до низких температур и образовать нечто вроде кристаллической решетки (поддерживаемой за счет кулоновского отталкивания).

                  Так что с точки зрения физики конденсированного состояния белые карлики состоят из металла, причем твердого… Но астрономы называют металлами не то, что физики, у астрономов это краткое название всех элементов тяжелее гелия, как и сказал автор предыдущего комментария.
              • 0
                Могут, нужно только побольше чёрных пирамидок.
                • 0
                  Слишком попсово у Итана "… преобразуя материю в энергию через E = mc^2..." согласно этой формуле вроде бы масса в энергию преобразуется, а не материя — также как певец не преобразуется в песню или пение…
                  • 0
                    На само деле, у нас есть только материя — фермионы и бозоны. Ещё кто-то вводит нулевые колебания, но у них с энергией что-то странное.
                    Фермионы и бозоны распределены по Вселенной согласно своим волновым функциям. И выражение <psy|H|psy> для волновой функции каждой частицы задает местную плотность энергии (где H — полный гамильтониан Вселенной видимо).
                  • 0
                    Свежий ветер оптимизма, если сможем путешествовать между звездами — вымрем не скоро…

                    правда, было бы интересно посмотреть во что эволюция превратит наши тела :)
                    • 0
                      Эволюция превратит нас в воспоминания и приведёт к успеху роботов.

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое