Ουράνια Σώματα: Λευκός Νάνος

Ένας Λευ­κός Νάνος είναι συνή­θως το τελι­κό στά­διο της ζωής ενός αστέ­ρα, εφό­σον η τελι­κή του μάζα δεν υπερ­βαί­νει τις 1,4 ηλια­κές μάζες, δηλα­δή το καλού­με­νο όριο Chandrasekhar.

To 1935, ένας νεα­ρός Ινδός αστρο­φυ­σι­κός, ο διά­ση­μος μετέ­πει­τα Subrahmanyan Chandrasekhar (1910−1995, Νόμπελ φυσι­κής 1983), υπο­στή­ρι­ξε ότι η μάζα ενός αστε­ριού είναι καθο­ρι­στι­κής σημα­σί­ας για την εξέ­λι­ξή του. Όταν αυτή υπερ­βαί­νει το όριο των 1.4 ηλια­κών μαζών, το εκφυ­λι­σμέ­νο ηλε­κτρο­νια­κό αέριο συμπε­ρι­φέ­ρε­ται σχε­τι­κι­στι­κά. Αυτό σ σήμαι­νε ότι η κρα­τού­σα θεω­ρία για τους λευ­κούς νάνους έπρε­πε να επα­νε­ξε­τα­στεί (την επο­χή εκεί­νη οι επι­στή­μο­νες υπέ­θε­ταν ότι όταν ένα αστέ­ρι έκαι­γε και τα τελευ­ταία του καύ­σι­μα, μετα­τρέ­πε­ται σε μια σφαί­ρα από στά­χτη και καθώς ψύχε­ται γίνε­ται ένα νάνο, λευ­κό αστέ­ρι).

Την άπο­ψη αυτήν αρνή­θη­κε πει­σμα­τι­κά να δεχθεί ο επι­φα­νής αστρο­νό­μος του Πανε­πι­στη­μί­ου του Cambridge Sir Arthur Eddington. Παρό­λη την προ­σο­χή που είχε αφιε­ρώ­σει στο νεα­ρό Ινδό, χρη­σι­μο­ποί­η­σε όλη την ρητο­ρι­κή του δει­νό­τη­τα προ­κει­μέ­νου να κατα­κρη­μνί­σει τα απο­τε­λέ­σμα­τα της έρευ­νας του που παρου­σί­α­σε στις 11 Ιανουα­ρί­ου 1935, στην Βασι­λι­κή Αστρο­νο­μι­κή Εται­ρεία του Λον­δί­νου. Τα επι­χει­ρή­μα­τα του Eddington ήταν αβά­σι­μα όμως το «ειδι­κό επι­στη­μο­νι­κό του βάρος» μπρο­στά στον νεα­ρό Ινδό τέτοιο, που κανείς δεν τόλ­μη­σε να τον αμφι­σβη­τή­σει. Έτσι ο Chandrasekhar ανα­γκά­στη­κε να εγκα­τα­λεί­ψει την Μεγά­λη Βρε­τα­νία και να κατα­φύ­γει στις Η.Π.Α. όπου και τελειο­ποί­η­σε τη θεω­ρία του. Έκτο­τε, οι προ­τά­σεις του για την αστρι­κή δομή, συμπε­ρι­λαμ­βα­νο­μέ­νης και της θεω­ρί­ας των λευ­κών νάνων, απο­τε­λούν την επι­κρα­τού­σα θεω­ρία για τις τελι­κές κατα­στά­σεις των αστέ­ρων.

Χαρα­κτη­ρι­στι­κά

Οι Λευ­κοί νάνοι, είναι αστέ­ρες λευ­κοί, κίτρι­νοι ή ελα­φρώς κυα­νοί. Έχουν πολύ μικρή φωτει­νό­τη­τα και οι δια­στά­σεις τους αντί­στοι­χα είναι πολύ μικρές, συγκρί­σι­μες με τις δια­στά­σεις της Γηs.

Συγκε­κρι­μέ­να η λαμπρό­τη­τά τους κυμαί­νε­ται γύρω στο ¹⁄₁₀₀ της λαμπρό­τη­τας του Ηλιου και η επι­φα­νεια­κή τους θερ­μο­κρα­σία από 15.000−20.000 Κ.

Γενι­κά η πυκνό­τη­τα του λευ­κού νάνου αγγί­ζει τα 10⁹kg·m^-3. Η πυκνό­τη­τα αυτή των λευ­κών νάνων, εξη­γεί­ται από το γεγο­νός πως η ύλη στο εσω­τε­ρι­κό τους είναι πλή­ρως ιονι­σμέ­νη, οπό­τε (με απλά λόγια) υπάρ­χει χώρος για να συμπυ­κνω­θεί πάρα πολύ, χωρίς τα σωμα­τί­δια να πάψουν να έχουν ελευ­θε­ρία κινή­σε­ων.

Εξέ­λι­ξη σε λευ­κό νάνο

Αν έχου­με να κάνου­με με πρω­τα­στέ­ρα, τότε η μάζα του δεν υπερ­βαί­νει το 0,1 της ηλια­κής μάζας, οπό­τε η τελι­κή θερ­μο­κρα­σία του πυρή­να δεν θα φτά­σει ποτέ στους  10⁶ Κ, ώστε να αρχί­σουν οι πυρη­νι­κές αντι­δρά­σεις καύ­σης του υδρο­γό­νου στον πυρή­να του. Δεν θα περιέλ­θει, δηλα­δή, ποτέ στην φάση της κύριας ακο­λου­θί­ας. Η εξέ­λι­ξή του χαρα­κτη­ρί­ζε­ται από συνε­χή ελάτ­τω­ση της θερ­μο­κρα­σί­ας καθώς και μεί­ω­ση της φωτει­νό­τη­τας με απο­τέ­λε­σμα να κατα­λή­ξει να γίνει λευ­κός, καφέ και τελι­κά Μελα­νός Νάνος, χωρίς να έχει κάψει τα απο­θέ­μα­τα του υδρο­γό­νου του πυρή­να του.

Στις περισ­σό­τε­ρες περι­πτώ­σεις όμως, οι λευ­κοί νάνοι απο­τε­λούν μία από τις τρεις κατη­γο­ρί­ες αστρι­κών πτω­μά­των (λευ­κοί νάνοι, αστέ­ρες νετρο­νί­ων, μελα­νές οπές), εφό­σον η μάζα τους δεν υπερ­βαί­νει το όριο Chandrasekhar. Πρό­κει­ται δηλα­δή για αστέ­ρες τα οποία έχουν εξα­ντλή­σει τα καύ­σι­μα του πυρή­να τους και άρα όλες τις δια­θέ­σι­μες πηγές ενέρ­γειας.

Μετά τη φάση της κύριας ακο­λου­θί­ας, τη φάση του γίγα­ντα και ενδε­χό­με­νη απώ­λεια υλι­κού από το περί­βλη­μα του αστέ­ρα, παρα­μέ­νει ο πυρή­νας ο οποί­ος όμως δεν έχει τη δυνα­τό­τη­τα θερ­μο­πυ­ρη­νι­κών συντή­ξε­ων. Συνή­θως απο­τε­λεί­ται από ήλιο, άνθρα­κα και οξυ­γό­νο ή συν­δυα­σμούς αυτών των υλι­κών. Λόγω της εξαι­ρε­τι­κά υψη­λής του θερ­μο­κρα­σί­ας (της τάξε­ως των 10.000Κ), ακτι­νο­βο­λεί αλλά ταυ­τό­χρο­να ψύχε­ται (καθώς δεν έχει την δυνα­τό­τη­τα να ανα­πλη­ρώ­σει την ενέρ­γεια που ακτι­νο­βο­λεί­ται), με απο­τέ­λε­σμα να εκπέ­μπει σε χαμη­λό­τε­ρες συχνό­τη­τες και να κατα­λή­ξει σε ένα αδρα­νές ψυχρό σώμα, έναν καφέ και εν συνε­χεία έναν μελα­νό νάνο. Η ψύξη είναι πολύ αργή λόγω της μικρής επι­φά­νειας του άστρου και μπο­ρεί να διαρ­κέ­σει δισε­κα­τομ­μύ­ρια χρό­νια.

Εξαί­ρε­ση απο­τε­λούν οι λευ­κοί νάνοι που είναι μέλη διπλών συστη­μά­των στα οποία έχει απο­κα­στα­στα­θεί μια στα­θε­ρή ροή μάζας από τον πρω­τεύ­ο­ντα αστέ­ρα προς τον λευ­κό νάνο. Τότε υπάρ­χει η δυνα­τό­τη­τα, η συνο­λι­κή μάζα του λευ­κού νάνου να αυξη­θεί σε τέτοια επί­πε­δα, ώστε καταρ­ρέ­ου­σα προς τον πυρή­να του, να δημιουρ­γή­σει θερ­μο­κρα­σί­ες ικα­νές να κινη­το­ποι­ή­σουν έναν νέο κύκλο πυρη­νι­κών αντι­δρά­σε­ων.

Η ισορ­ρο­πία του επι­τυγ­χά­νε­ται μέσω της πίε­σης των εκφυ­λι­σμέ­νων ηλε­κτρο­νί­ων (electron degeneracy pressure) λόγω της απα­γο­ρευ­τι­κής αρχής του Pauli, σύμ­φω­να με την οποία δύο ακρι­βώς ίδια (identical) φερ­μιό­νια, δεν μπο­ρούν να βρί­σκου­νται στην ίδια ακρι­βώς κβα­ντι­κή κατά­στα­ση.. Η πίε­ση αυτή εξι­σορ­ρο­πεί την ελκτι­κή δύνα­μη της βαρύ­τη­τας που τεί­νει να συν­θλί­ψει το άστρο.

Η πίε­ση των εκφυ­λι­σμέ­νων ηλε­κτρο­νί­ων μπο­ρεί να εξου­δε­τε­ρώ­σει τη βαρύ­τη­τα, εφό­σον η ολι­κή μάζα του νεκρού αστε­ριού δεν ξεπερ­νά­ει τις 1.4 ηλια­κές μάζες, μια χαρα­κτη­ρι­στι­κή τιμή μάζας, που απο­τε­λεί το προ­α­να­φε­ρό­με­νο όριο Chandrasekhar.

Οι λευ­κοί νάνοι παρα­τη­ρή­θη­καν πολύ πριν γίνει κατα­νοη­τός ο μηχα­νι­σμός που τους σώζει από την βαρυ­τι­κή κατάρ­ρευ­ση. Όλοι οι γνω­στοί λευ­κοί νάνοι έχουν μάζες μικρό­τε­ρες από το όριο Chandrasekhar. Για πρώ­τη φορά λευ­κοί νάνοι φωτο­γρα­φή­θη­καν το 1995, στο σφαι­ρω­τό σμή­νος Μ4, που βρί­σκε­ται 6.800 έτη φωτός μακριά από εμάς, με του­λά­χι­στον 100.000 άστρα.

Σεί­ριος Β

Ο Σεί­ριος Β είναι ο πρώ­τος νάνος που ανα­κα­λύ­φθη­κε από τον Alvan Grajam Clark (1832−1897) στις 31 Ιανουα­ρί­ου 1862. Πρό­κει­ται για τον αόρα­το δια γυμνού οφθαλ­μού συνο­δό αστέ­ρα του Σεί­ριου. Η διά­με­τρός του είναι τα 0,032 της ηλια­κής δια­μέ­τρου και μόλις τα 0,85 της δια­μέ­τρου της Γης. Η μάζα του είναι περί­που ίση με αυτήν του Ήλιου, πράγ­μα που σημαί­νει ότι η μέση πυκνό­τη­τά του είναι 257.000 μεγα­λύ­τε­ρη της αντί­στοι­χης γήι­νης.

Ο Σεί­ριος Α και ο Σεί­ριος Β βρί­σκο­νται σε τρο­χιά μετα­ξύ τους, με περί­ο­δο περί­που 50 έτη και μέση από­στα­ση 20 αστρο­νο­μι­κές μονά­δες. Προ­φα­νώς η μάζα του Σεί­ριου Β ήταν μεγα­λύ­τε­ρη από αυτήν του Σεί­ριου Α, αφού αυτός εξε­λί­χθη­κε ταχύ­τε­ρα πέρα από την κύρια ακο­λου­θία.

Λευ­κός Νάνος BPM 37093

Πρό­κει­ται για τη Lucy, τον πυρή­να ενός νεκρού αστέ­ρα, έναν αδά­μα­ντα με βάρος δέκα δεκά­κις εκα­τομ­μύ­ρια καρά­τια (το ένα ακο­λου­θού­με­νο από 34 μηδε­νι­κά). Έχει διά­με­τρο 1.500 χιλιό­με­τρα και βρί­σκε­ται σε από­στα­ση περί­που 50 ετών φωτός, στον αστε­ρι­σμό του Κενταύ­ρου. Επί­ση­μα, το BPM 37093 είναι ένας λευ­κός νάνος, ό,τι απέ­μει­νε από ένα άστρο που εξά­ντλη­σε τα καύ­σι­μά του.

«θα χρεια­ζό­ταν ένα φακός κοσμη­μα­το­πώ­λη στο μέγε­θος του Ήλιου για να αξιο­λο­γή­σει κανείς αυτόν το αδά­μα­ντα» σχο­λιά­ζει ο Τρά­βις Μέτ­καλφ του αμε­ρι­κα­νι­κού Κέντρου Αστρο­φυ­σι­κής Harvard-Smithsonian, επι­κε­φα­λής της ομά­δας που ανα­κά­λυ­ψε το παρά­ξε­νο σώμα.

Η Lucy, ως λευ­κός νάνος, απο­τε­λεί­ται σχε­δόν εξ’ ολο­κλή­ρου από άνθρα­κα, ο οποί­ος παρά­γε­ται από θερ­μο­πυ­ρη­νι­κή σύντη­ξη ελα­φρύ­τε­ρων στοι­χεί­ων. Προ­φα­νώς επι­βε­βαιώ­νει την υπό­θε­ση που είχε δια­τυ­πω­θεί πριν από δεκα­ε­τί­ες, ότι το εσω­τε­ρι­κό των λευ­κών νάνων απο­κτά κρυ­σταλ­λι­κή δομή.

Οι επι­στή­μο­νες εικά­ζουν επι­πλέ­ον ότι και ο Ήλιος θα μετα­τρα­πεί σε λευ­κό νάνο, σε περί­που πέντε δισε­κα­τομ­μύ­ρια έτη. Δύο δισε­κα­τομ­μύ­ρια έτη αργό­τε­ρα, ο πυρή­νας από κάρ­βου­νο θα κρυ­σταλ­λω­θεί, σχη­μα­τί­ζο­ντας έναν αμύ­θη­το θησαυ­ρό στο κέντρο του Ηλια­κού Συστή­μα­τος.

Το άρθρο υπάρ­χει και εδώ.