Около пятидесяти лет назад астрономы предсказали, какой будет конечная судьба нашего Солнца. Согласно теории, Солнце исчерпает свое водородное топливо через миллиарды лет и расширится, превратившись в Красного Гиганта, после чего оно потеряет свои внешние слои и станет белым карликом. После нескольких миллиардов лет охлаждения внутренняя часть кристаллизуется и становится твердой.
До недавнего времени у астрономов было мало доказательств в поддержку этой теории. Но благодаря ЕКА Гайская обсерваторияастрономы теперь могут наблюдать сотни тысяч звезд белых карликов с огромной точностью - измеряя их расстояние, яркость и цвет. Это, в свою очередь, позволило им изучить будущее нашего Солнца, когда оно больше не будет теплой желтой звездой, которую мы знаем и любим сегодня.
Исследование, которое описывает эти выводы, недавно появилось в журнале Природа под заголовком «Кристаллизация ядра и накопление в последовательности охлаждения развивающихся белых карликов». Исследование было проведено Пьер-Эммануэлем Тремблеем, доцентом в Университете Уорика, и в нем приняли участие многочисленные исследователи из группы астрономии и астрофизики Уорвика, Университета Монреаля и Университета Северной Каролины.
Когда дело доходит до звездной эволюции, десятилетия наблюдений в сочетании с теоретическими моделями позволили астрономам сделать вывод о том, что произойдет со звездой, основываясь на ее классификации. В то время как более крупные звезды (например, голубые супергиганты) со временем превращаются в сверхновые и становятся нейтронными звездами или черными дырами, более мелкие звезды, такие как наше Солнце, потеряют свои внешние слои, чтобы стать планетарными туманностями, и в конечном итоге завершат свой жизненный цикл в виде белого карлика.
Эти сверхплотные звезды продолжают излучать излучение при охлаждении, и этот процесс длится миллиарды лет. В конце концов, их внутренняя часть будет достаточно прохладной - около 10 миллионов ° C (50 миллионов ° F) - что чрезмерное давление, оказываемое на их сердцевины, заставит материал кристаллизоваться и стать твердым. Предполагается, что это будет судьба до 97% звезд в Млечном Пути, в то время как остальные станут нейтронными звездами или черными дырами.
Поскольку белые карлики являются одними из самых старых звезд во Вселенной, они невероятно полезны для астрономов. Поскольку их жизненный цикл предсказуем, они используются как «космические часы» для оценки возраста групп соседних звезд с высокой степенью точности. Но определить, что происходит с белыми карликами к концу их жизненного цикла, было непросто.
Раньше астрономы были ограничены в том, что касается количества белых карликов, которых они могли изучать. Все это изменилось с развертыванием Gaiaкосмическая обсерватория, которая провела последние несколько лет, точно измеряя положения, расстояния и движения звезд ради создания самого подробного трехмерного космического каталога, когда-либо сделанного.
Как отметил в недавнем пресс-релизе ЕКА Пьер-Эммануэль Тремблей, начинающий грант-стипендиат ERC *:
«Раньше у нас были расстояния только для нескольких сотен белых карликов, и многие из них были в скоплениях, где все они были одного возраста. С Gaia у нас теперь есть расстояние, яркость и цвет сотен тысяч белых карликов для большого образца на внешнем диске Млечного Пути, охватывающего диапазон начальных масс и всех видов возрастов ».
Для своего исследования астрономы использовали данные Gaia для анализа более 15 000 звездных остатков-кандидатов в пределах 300 световых лет от Земли. Из этого образца они смогли идентифицировать превышение в количестве звезд (иначе говоря, скопление), которые имели определенные цвета и яркость, которые не соответствовали какой-либо одной массе или возрасту.
Это скопление, когда-то по сравнению с эволюционными моделями звезд, казалось, совпало со стадией развития, где звезды теряют тепло в больших количествах. Этот процесс замедляет процесс естественного охлаждения и приводит к тому, что мертвые звезды перестают тускнеть, что делает их на 2 миллиарда лет моложе, чем они есть на самом деле.
«Это первое прямое доказательство того, что белые карлики кристаллизуются или переходят из жидкого в твердое состояние», - объясняет Тремблей в заявлении для прессы в Уорике. «Пятьдесят лет назад было предсказано, что мы должны наблюдать увеличение количества белых карликов при определенных яркостях и цветах из-за кристаллизации, и только сейчас это наблюдается».
Эта модель, где светимость не связана с возрастом, была одним из ключевых предсказаний, сделанных о кристаллизации белых карликов 50 лет назад. Теперь, когда астрономы имеют прямые доказательства этого процесса на работе, это, вероятно, повлияет на наше понимание того, в какие звездные группировки должны быть включены белые карлики.
«Белые карлики традиционно используются для определения возраста звездных популяций, таких как скопления звезд, внешний диск и гало в нашем Млечном Пути», - сказал Тремблей. «Теперь нам нужно будет разработать более совершенные модели кристаллизации, чтобы получить более точные оценки возраста этих систем».
Например, хотя все белые карлики будут кристаллизоваться в какой-то момент своей эволюции, время, которое требуется, зависит от звезды. Более массивные белые карлики остывают быстрее и достигают температуры, при которой кристаллизация происходит быстрее (примерно через миллиард лет). Маленьким белым карликам, которыми станет наше Солнце, может потребоваться целых шесть миллиардов лет, чтобы совершить такой же переход.
«Это означает, что миллиарды белых карликов в нашей галактике уже завершили процесс и по сути являются кристаллическими сферами на небе», - сказал Трембли. Между тем, наше Солнце может пройти этот переход примерно через десять миллиардов лет. В этот момент наше Солнце выйдет из фазы красных гигантских ветвей, станет белым карликом и начнет процесс кристаллизации.
Это только последнее откровение, пришедшее от Gaia миссия, которая потратила последние пять лет на каталогизацию небесных объектов в Млечном Пути и соседних галактиках. До окончания миссии (ожидается к 2022 году) запланированы еще два выпуска данных, причем выпуск DR3 запланирован на 2021 год, а окончательный выпуск еще предстоит определить.
* Исследование стало возможным благодаря финансированию Европейского исследовательского совета (ERC).
