Fehér törpe (csillag): definíció, kialakulás és főbb jellemzők
Fehér törpe: tömör csillag definíciója, kialakulása és főbb jellemzői — hogyan lesz a Naphoz hasonló csillagból Föld-méretű, de Nap-tömegű maradvány?
A fehér törpe egy kompakt csillag, amelyben az anyag rendkívül össze van sűrűsödve. A gravitáció nagy nyomást fejt ki a csillag magjára, az atomokat, illetve azok elektronjait közel ragasztva egymáshoz; az elektronok kvantummechanikai nyomása — az ún. degenerációs nyomás — tartja meg a csillagot a további összeomlástól. Egy tipikus fehér törpe tömege a Nap tömegének nagyságrendjébe esik (általában ~0,2–1,4 M☉, tipikus érték kb. 0,6 M☉), míg térfogata közel a Földéhez hasonló — ezért rendkívül nagy a sűrűsége és felszíni gravitációja.
Kialakulás
A fehér törpék kialakulása általában azon csillagok végső fejlődési állapotához kapcsolódik, amelyek tömege nem éri el azt a határt, hogy neutroncsillaggá vagy fekete lyukká omoljanak. A Tejútrendszerben található csillagok több mint 97%-a végül fehér törpecsillaggá válik§1.
- Amikor egy főövi csillag kifogy a hidrogén üzemanyagából, hidrogénfúziós fázisa véget ér, és a csillag vörösóriássá tágul. A külső rétegek kitágulnak, miközben a magban az anyag újabb fúziós lépésekben héliumból szenet és oxigént képez (illetve, nagyobb tömegekben ennél nehezebb elemek is létrejöhetnek).
- Ha egy vörös óriás magja nem melegszik fel eléggé a szén befúziójához (ez jellemző a kisebb tömegű csillagokra), a magban szén- és oxigénhalmaz képződik, több százmillió kelvin körüli hőmérsékleten. Ezt követően a csillag külső rétegei levedlenek és planetáris köddé válnak, a mag pedig összehúzódik és fehér törpévé alakul.
- Az így létrejövő fehér törpéken már nem mennek végbe fúziós reakciók (nincs belső energiaforrásuk), ezért kezdetben a felhalmozott hő sugárzódik el, és a csillag fokozatosan hűl.
Fizikai jellemzők
- Tömeg és sugár: tipikus tömeg ~0,6 M☉, de legfeljebb az ún. Chandrasekhar-határ közelébe (~1,4 M☉). A sugara a Földéhez hasonló (néhány ezer—tízezer kilométer), azaz jóval kisebb, mint egy csillagé ezzel a tömeggel.
- Sűrűség és gravitáció: átlagos sűrűsége rendkívül nagy (jellemzően ~10^6 g/cm³ nagyságrend), a felszíni gravitáció több tízezer—milliószorosa a földi értéknek.
- Degenerációs nyomás: a belső támogatást az elektronok degenerációs nyomása adja, amely kvantummechanikai eredetű és majdnem független a hőmérséklettől. Ezért a fehér törpékben a hőtermelés hiánya ellenére sincs további gravitációs összeomlás, amíg a tömeg nem haladja meg a Chandrasekhar-határt.
- Összetétel: a legelterjedtebb típusok szén-oxigén (C/O) maggal rendelkeznek. Alacsonyabb tömegű csillagok esetén helium (He) fehér törpék, míg a legnehezebb fehér törpékben oxigén-neon-magnézium (O/Ne/Mg) mag alakulhat ki.
- Felszíni hőmérséklet és spektrum: a fiatal fehér törpék nagyon forrók lehetnek (több tízezer K), idővel hűlnek. Spektrális besorolásuk (pl. DA, DB) a felszíni elemösszetételtől függ: a DA típusoknál a hidrogén uralkodik, a DB-nél a hélium látszik dominánsnak.
- Magnetizmus: sok fehér törpe erős mágneses mezővel rendelkezik; a mező erőssége széles tartományban változhat, néhány kilogauss-tól egészen ~10^9 gauss-ig.
- Krízalisáció: hűlésük során a belső anyag kristályosodik (szilárdul), ami hőfelszabadulást és a hűlési pálya lassulását okozhatja — ezt a hatást a Gaia-űrtávcső adatai is alátámasztották.
Különleges események és bináris rendszerek
A fehér törpék gyakran részei kettős rendszereknek. Ha egy fehér törpe gázt szív be társáról (akár egy vörös nagy testvérből), kialakulhatnak:
- tüzes kitörések (novák): az akkumulálódó anyag felgyulladása a felületen;
- kataklizmatikus változók: periódikus kitöréseket mutató rendszerek;
- Type Ia szupernóva: ha a fehér törpe tömege az akkréció vagy összeolvadás hatására meghaladja a Chandrasekhar-határt (~1,4 M☉), a belsejében szénrobbanás indulhat, amely teljesen felrobbantja a csillagot — ez fontos kozmológiai távolságmérőként (standardizált fénygörbe) is szolgál.
Élettartam és a jövőjük
A fehér törpék nem termelnek új energiát fúzióból, ezért lassan, évmilliárdokon át hűlnek. A koruk alapján osztályozhatók és így a galaxis fejlődésére vonatkozó információkat is szolgáltatnak. A teljesen kihűlt, sötét "fekete törpe" elképzelése elméleti: a Világegyetem jelenlegi koránál sokkal hosszabb idő kellene ahhoz, hogy egy fehér törpe teljesen kihűljön és láthatatlanná váljon.
Megfigyelés és jelentőség
A fehér törpék fontos szereplők az asztrofizikában: segítenek megérteni a csillagfejlődést, a csillagpopulációk korát, a csillagok közötti kölcsönhatásokat és a szupernóva-fenomént. Megfigyelésük történhet optikai, ultraviola és röntgentartományban; a Gaia és más felmérések számos új fehér törpét azonosítottak, s finomították a hűlési modelljeiket.
A Naphoz hasonló csillag például fehér törpévé válik, amikor elfogy a belső fúzióhoz szükséges üzemanyaga. Élete végéhez közeledve átmegy vörös óriás szakaszon, majd elveszíti gázának nagy részét; a külső rétegek leválása után a maradék összehúzódik, és fiatal fehér törpévé válik.
A Hubble Űrteleszkóp által készített kép a Szíriusz A és a Szíriusz B csillagokról. A Szíriusz B, amely egy fehér törpe, a sokkal fényesebb Szíriusz A bal alsó részén halvány fényszúrásként látható.
Fehér törpe csillagok
Történelem
A fehér törpéket a 18. században fedezték fel. Az első fehér törpecsillagot, a 40 Eridani B-t 1783. január 31-én fedezte fel William Herschel. p73 A 40 Eridani nevű három csillagrendszer része.
A második fehér törpét 1862-ben fedezték fel, de először vörös törpének hitték. Ez egy kis csillag volt a Szíriusz csillag közelében. Ennek a Szíriusz B-nek nevezett kísérőcsillagnak a felszíni hőmérséklete körülbelül 25 000 kelvin volt, ezért forró csillagnak gondolták. A Szíriusz B azonban körülbelül 10 000-szer halványabb volt, mint az elsődleges csillag, a Szíriusz A. A tudósok felfedezték, hogy a Szíriusz B tömege majdnem megegyezik a Nap tömegével. Ez azt jelenti, hogy egykor a Szíriusz B a mi Napunkhoz hasonló csillag volt.
1917-ben Adriaan van Maanen felfedezett egy fehér törpét, amely a Van Maanen 2 nevet kapta. Ez volt a harmadik fehér törpe, amelyet felfedeztek. A Szíriusz B kivételével ez a Földhöz legközelebbi fehér törpe.
Sugárzás és hőmérséklet
A fehér törpének alacsony a fényessége (a kibocsátott fény teljes mennyisége), de nagyon forró a magja. A mag hőmérséklete 107 K lehet, míg a felszíne csak 104 K.
A fehér törpe keletkezésekor nagyon forró, de mivel nincs energiaforrása, fokozatosan kisugározza az energiáját, és lehűl. Ez azt jelenti, hogy sugárzása, amely kezdetben kék vagy fehér színt kölcsönöz neki, idővel csökken. Egy fehér törpe nagyon hosszú idő alatt olyan hőmérsékletre hűl le, hogy már nem bocsát ki fényt. Hacsak a fehér törpe nem kap anyagot egy kísérőcsillagtól vagy más forrásból, a sugárzása a tárolt hőjéből származik. Ez nem cserélődik ki.
A fehér törpék két okból lassan hűlnek. Rendkívül kicsi a felületük, ahonnan a hőt kisugározhatják, ezért fokozatosan hűlnek le, és sokáig forróak maradnak. Emellett nagyon átlátszatlanok. A fehér törpék nagy részét alkotó degenerált anyag megállítja a fényt és más elektromágneses sugárzást, így a sugárzás nem sok energiát visz el.
Végül minden fehér törpe fekete törpévé hűl le, amit azért hívnak így, mert nincs elég energiájuk a fény létrehozásához. Fekete törpék még nem léteznek, mert a fehér törpék lehűlése a világegyetem jelenlegi koránál hosszabb időbe telik. A fekete törpe az, ami a csillagból megmarad, miután az összes energiája (hő és fény) elhasználódott.
Újragyújtás
A fehér törpék újra meggyulladhatnak és szupernóvaként robbanhatnak, ha több anyagot kapnak. Van egy maximális tömeg, aminél egy fehér törpe stabil maradhat. Ez az úgynevezett Chandrasekhar-határ.
Egy törpe például anyagot vonzhat be egy kísérőcsillagból, és ezzel átlépheti a Chandrasekhar-határt. A plusz tömeg szénfúziós reakciót indítana el. A csillagászok szerint ez az újragyulladás lehet az Ia típusú szupernóvák oka.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a fehér törpe?
A: A fehér törpe egy kompakt csillag, amelynek anyagát a gravitáció összenyomta, és elektronjait elvitte.
K: Hogyan viszonyul egy fehér törpe tömege a Napéhoz?
V: A fehér törpe tömege hasonló a Napéhoz, de térfogata a Földéhez hasonló.
K: Milyen típusú csillagok válnak fehér törpévé?
V: A fehér törpék minden olyan csillag végső fejlődési állapota, amelynek tömege nem elég nagy ahhoz, hogy neutroncsillaggá váljon. A Tejútrendszerben lévő csillagok több mint 97%-a fehér törpecsillaggá válik.
K: Hogyan alakul ki egy vörös óriás?
V: Miután egy fő csillag hidrogénnel fúziós élettartama véget ér, kitágul, és vörös óriássá alakul, amely magjában héliumot szénné és oxigénné fuzionál. Ha nincs elég tömege a szén fúziójához, akkor a középpontjában inaktív szén és oxigén halmozódik fel.
K: Mi történik, miután külső rétegei levedlenek, és bolygóköd alakul ki?
V: Miután külső rétegei levedlenek, és bolygóköd alakul ki, a mag marad vissza, amelyből fehér törpe lesz.
K: A fehér törpében lévő anyag fúziós reakciókon megy keresztül?
V: Nem, a fehér törpében lévő anyag már nem megy keresztül fúziós reakciókon, így nincs számára energiaforrás, és a gravitációs összeomlással szemben nem tud hővel megtámaszkodni.
K: Hogyan válik Napunk fehér törpévé?
V: Napunk akkor válik fehér törpévé, amikor élete végéhez közeledve kifogy az üzemanyaga; először a vörös óriás stádiumon megy keresztül, majd elveszíti a legtöbb gázt, amíg a maradék össze nem húzódik fiatal fehér törpévé.
Keres