Плавучие кристаллы остановили замерзание белых карликов

В 2019 году астрономы построили диаграмму Герцшпрунга — Рассела по данным обзора «Гайя». Эта диаграмма иллюстрирует соотношение светимости звезд с их спектральным классом и между другими величинами. Главное, что в ней хорошо видны ветви-классы звезд. И вот в линии белых карликов ученые заметили необычное «скопление», которое они назвали Q-ветвью. Она располагалась там, где должны быть массивные белые карлики, находящиеся в процессе охлаждения. Но анализ показал, что от пяти до девяти процентов из этого «скопления» на самом деле очень старые; просто они не остывают уже на протяжении как минимум восьми миллиардов лет. Наконец ученые объяснили, как этим звездам удалось остановить свою «смерть».

В стандартной модели охлаждения белого карлика его кристаллизация идет изнутри наружу. «Мертвая» звезда, истратившая свой термоядерный ресурс, начинает охлаждаться, плазма в ее недрах кристаллизуется. При этом выделяется заметное количество тепла и энергии. Они, конечно, замедляют процесс охлаждения, но не способны остановить его на миллиарды лет.

По расчетам астрофизиков, у большинства массивных белых карликов ядро должно состоять из кислорода и неона. Их охлаждение протекает по стандартному сценарию. И все же в некоторых слияниях двойных звезд должны формироваться массивные белые карлики с углерод-кислородным ядром и большим количеством примесей, богатых нейтронами. Например, неоном-22.

Как выяснили авторы нового исследования, опубликованного в Nature, при таком составе процесс затвердевания превращается в дистилляцию.

В массивных белых карликах с «примесями» формируются плавучие кристаллы. Они двигаются «вверх», в то время как более тяжелая, насыщенная неоном-22 жидкость смещается вниз. По оценке авторов, насыщенность неоном-22 вырастает с трех процентов до примерно 30 процентов массы. Авторы использовали неон-22 в качестве «представителя» всех насыщенных нейтронами молекул.

Как результат увеличивается масса ядра (плотность вырастает примерно на восемь процентов), белый карлик слегка сжимается (радиус уменьшается на один процент), за счет чего выделяется дополнительная энергия. Именно она тормозит охлаждение. По расчетам, в зависимости от массы белого карлика оно останавливается на 7-13 миллиардов лет. Чем больше масса, тем короче «остановка», потому что процесс протекает быстрее, и энергия выделяется быстрее.

Авторы работы смоделировали эволюцию массивных белых карликов, среди которых большинство были «обычными», а от пяти до девяти процентов — с составом, подходящим для формирования плавучих кристаллов. Результаты впервые точно совпали по положению и ширине с Q-ветвью в данных «Гайя».

«Это открытие потребует пересмотра не только учебников по астрономии, но и методов оценки возраста звездных популяций», — отметил Саймон Блуин (Simon Blouin), соавтор новой работы из Университета Виктории (Канада).

Получается, что на протяжении миллиардов лет такие белые карлики светятся так же, как и «нормальные». Значит, они могут быть значительно старше, чем выглядят. А ведь именно по возрасту звезд ученые определяют возраст скоплений и восстанавливают истории их формирования. В их числе и наша галактика Млечный Путь.

Популяция таких белых карликов все же не настолько большая. Поэтому не стоит ждать существенных переоценок. Конечно, астрономы теперь будут учитывать их существование.