Что-то делает мертвые звезды слишком горячими, и у астрономов заканчиваются объяснения

Когда звезды, подобные Солнцу, заканчивают свой жизненный цикл, остается белый карлик. Это сморщенное голое ядро звезды, больше не способное к ядерному синтезу. Он светится, но только от остаточного тепла, медленно остывая в течение миллиардов лет, пока не станет полностью холодным и темным.

Но не все белые карлики одинаковы. В прошлом году астрономы обнаружили, что один тип массивных белых карликов остывает медленнее, чем другие, как будто у них есть дополнительный источник тепла. Но выяснить, что это за источник тепла, оказывается непросто.

Теперь, благодаря новым исследованиям, мы знаем, что это не так: осаждение богатого нейтронами стабильного изотопа неона глубоко в недрах звезд.

Большинству звезд в галактике Млечный Путь — тех, которые примерно в восемь раз больше массы Солнца — суждено стать белыми карликами.

Звезды такой массы, у которых закончились водород и гелий для горения, имеют недостаточное давление, чтобы зажечь оставшийся углерод. Они выбрасывают свой внешний материал, и ядро ​​сжимается в сферу размером с Землю.

Эта сфера размером с Землю, состоящая в основном из углерода и кислорода, невероятно плотная — примерно в 1,4 раза больше массы Солнца.

Только так называемое давление вырождения электронов, внешнее давление, создаваемое неспособностью электронов с одинаковым спином занять одно и то же состояние, предотвращает полный коллапс ядра.

Поскольку они такие плотные, с такой небольшой площадью поверхности, им требуется очень много времени, чтобы терять тепло. После того, как ядро ​​белого карлика перестанет сокращаться, оно может превысить температуру около 100 000 Кельвинов (около 100 000 градусов Цельсия и 180 000 градусов Фаренгейта).

Астрономы считают, что с момента возникновения Вселенной прошло мало времени, чтобы белые карлики полностью остыли.

Но так называемые белые карлики с Q-ветвью, которые составляют около 6 процентов массивных белых карликов, остывают даже медленнее, чем подобные звезды. Согласно статье 2019 года, опубликованной астрономом Сихао Ченгом из Университета Джона Хопкинса, эта небольшая часть белых карликов демонстрирует задержку охлаждения около 8 миллиардов лет по сравнению с другими белыми карликами.

Ченг и его команда предположили, что изотоп неона, неон-22, который в небольших количествах содержится в некоторых белых карликах, может влиять на дополнительный нагрев. В белых карликах с углеродно-кислородным ядром, неон-22 погружающийся в центр, может стать дополнительным источником тепла.

Теперь группа астрономов во главе с Мэттом Капланом из Университета штата Иллинойс проверила эту гипотезу с помощью моделирования молекулярной динамики и фазовых диаграмм. Согласно их выводам, это просто невозможно.

Хотя скорость осаждения из монокристаллов, слишком мала для наблюдаемого нагрева, кластеризация 22Ne может потенциально ускорить этот процесс. Однако даже это ученые сочли маловероятным.

В ходе моделирования они обнаружили, что микрокристаллы 22Ne в жидкости из углерода и кислорода в соотношениях, характерных для белых карликов, всегда нестабильны.

Вариантов всего два — либо смесь настолько горячая, что кристалл плавится и неон растворяется в жидкости, либо вся смесь замерзает. Середины нет.

Даже когда температура смеси ниже точки плавления неона, но выше точки плавления углерода и кислорода, неон растворяется.

Затем команда использовала фазовые диаграммы, график, показывающий физические состояния вещества в диапазоне температур и давлений, чтобы определить, сколько неона потребуется в смеси для разделения и стабилизации неона.

Как правило, углеродно-кислородные белые карлики содержат около 2 процентов неона. Чтобы неон был стабильным, эта смесь должна содержать не менее 30 процентов неона.

«Таким образом, — заявили исследователи в своей статье, — мы обнаруживаем, что нет условий, при которых кластер, обогащенный 22Ne, стабилен в углеродно-кислородном белом карлике, и поэтому усиленная диффузия 22Ne не может объяснить Q-ветвь».

Это говорит о том, что эти белые карлики Q-ветви могут иметь особый состав, объясняющий дополнительный нагрев.

Если бы звезды были немного богаче неоном — около 6 процентов, — осаждение отдельных частиц, а не скопление, могло бы генерировать тепло. Натрий и магний — плохие кандидаты; как неон, они не разделяются, образуя твердые частицы в относительно небольших количествах.

Однако элементы группы железа выглядят немного более многообещающими. Железо отделяется в углеродно-кислородной смеси, и наличие всего лишь 0,1 процента может вызвать заметный нагрев.

Исследователи заявили, что если бы какой-то астрофизический процесс смог бы обогатить железо в белых карликах Q-ветви до 1 процента, этого было бы достаточно, чтобы задержать охлаждение на несколько миллиардов лет.

«Таким образом, эта работа мотивирует включение железа в модели охлаждения белых карликов», — написали они. «Это потребует новых фазовых диаграмм железа и обзора молекулярной динамики кластеризации и характерных размеров кластеров железа, что станет предметом будущих исследований».

Исследование было опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.

Источники: Фото: Белые карлики в шаровом скоплении NGC 6397. (НАСА, ЕКА и Х. Ричер / Университет Британской Колумбии)