Международная группа астрофизиков из США, Великобритании и Канады выяснила, что со временем в ядре белого карлика, в который превратится Солнце в конце своей жизни, начнутся процессы кристаллизации ионов углерода и кислорода. Этот процесс высвободит значительное количество тепла и остановит остывание звезды на миллиард лет. Статья исследователей опубликована в журнале Nature.
Белые карлики являются завершающим этапом эволюции звезд главной последовательности, к которым относится Солнце. Плотность вещества в ядре белого карлика составляет порядка десяти миллионов граммов на кубический сантиметр. При таких экстремальных значениях электронные оболочки атомов разрушаются, а материя представляет собой плазму из электронов и ядер. Принцип Паули запрещает двум электронам с одним и тем же спином занимать одно квантовое состояние, что создает барьер для дальнейшего сжатия звезды. Таким образом, гравитационному коллапсу препятствует давление вырожденного электронного газа.
Считается, что при охлаждении белых карликов в ядре начинает происходить кристаллизация ионов. Срок этого процесса зависит от массы звезды, то есть у более массивных белых карликов кристаллизация наступает раньше. Примерно в это же время происходит другой процесс, который связывает вырожденное ядро и внешние оболочки, что способствует рассеиванию энергии, высвободившейся при отвердевании. Около 50 лет назад ученые предположили, что у более тяжелых белых карликов (массой более 0,7 массы Солнца) кристаллизация должна начаться раньше, чем конвективное связывание, что влияет на физические свойства звезд. Однако до сих пор доказательств существования этого эффекта получено не было.
Астрофизики проанализировали фотометрические и астрометрические данные, полученные космическим телескопом Gaia, о белых карликах, находящихся не дальше 100 парсеков (326 световых лет) от Солнца. Всего было изучено 15 109 объектов, для которых была определена температура и гравитация на поверхности, масса, а также состав атмосферы. Ученые построили диаграмму Герцшпрунга-Рассела, показывающую зависимость между абсолютной звездной величиной и спектральным классом (цветом) звезд.
Ученые обнаружили поперечную последовательность белых карликов, для которых характерна малая абсолютная звездная величина и несоответствие между возрастом и степенью остывания. Они соответствуют модели, согласно которой кристаллизация приводит к выделению тепла и значительно замедляет процесс охлаждения. По словам одного из авторов работы — физика Пьера-Эммануэля Тремблея (Pier-Emmanuel Tremblay) из Уорикского университета (Англия), впервые получено доказательство, что белые карлики действительно переходят в твердое состояние.