Kristálygömbbé fog dermedni a Nap

2019.01.15. 18:31

Életük vége felé fémes oxigénből és szénből álló kristállyá alakul a csillagok belseje – bizonyították elsőként brit csillagászok. A mi Napunkra is ez vár tízmilliárd év múlva.

Éppen ötven évvel azután, hogy csillagászok megjósolták a jelenséget, a Warwick-i Egyetem kutatói most először találtak közvetlen bizonyítékot arra, hogy a fehér törpék – tüzelőanyagukat elhasznált, kiégett és összeroskadt csillagok – magja valóban kristállyá szilárdul. És ez nem valamiféle egzotikum a galaxisban: az ég tele van ezekkel a megdermedt kristálygömbökkel. Mintegy tízmillárd év múlva a mi Napunk is így végzi majd.

A felfedezés fontos aspektusa, hogy a kristályosodási folyamat lassítja a lehűlést, ezért a kristályosodáson átesett csillagok évmilliárdokkal idősebbek lehetnek, mint ahogy korábban gondoltuk. A legidősebb fehér törpék, amelyek csaknem egykorúak a Tejúttal, valószínűleg majdnem teljes egészükben kristályosak. A fázisátalakulás, amely a csillagok életciklusának vége felé történik, és a szénből és oxigénből álló magot érinti, némiképp hasonló a víz fagyásához, csak sokkal magasabb hőmérsékleten és nyomáson megy végbe.

A felfedezést a Warwick-i Egyetem fizika tanszékének Pier-Emmanuel Tremblay vezette csoportja a Nature-ben publikálta, és az alapjául szolgáló megfigyelések jobbára az Európai Űrkutatási Ügynökség Gaia műholdjától származnak.

Fehér törpe kristályosodásának megindulásaForrás: Dr Mark A. Garlick / SPL/All rights reserved. Copyright Mark A. Garlick./Dr Mark A. Garlick

50 éve megjósolt kikristályosodás

Világegyetemünk legidősebb égitestjeinek némelyike a fehér törpék közül kerül ki. E csillagmaradványok rendkívül praktikusak a csillagászok számára, mert kiszámítható életciklusuknak köszönhetően nagy pontosságú kozmikus óraként használhatók az őket magukba foglaló csillagcsoportosulások életkorának meghatározásához. A fehér törpék valójában néhai vörös óriások – tüzelőanyaguk végét felemésztő, felfúvódó csillagok – visszamaradt magjai. A pusztuló vörös óriások levetik magukról külső rétegeiket, és csak lassan kihűlő magjukat hagyják hátra, amely évmilliárdok alatt fokozatosan kisugározza a benne tárolt hőt.

A csillagászok a Gaia által készített felvételekből 15000 feltételezett fehér törpét választottak ki, amelyek a Föld mintegy 300 fényéves körzetében találhatók, és elemezték a csillagok fényességét és színét. Azt találták, hogy a fényesség és szín egy bizonyos tartományában több csillag tartózkodik a vártnál, és az ilyen jellegzetességet mutató csillagok nem köthetők egyetlen mérethez vagy korosztályhoz. A csillagok életciklus-modelljével összevetve a felhalmozódás egy olyan állapotnak felel meg, amelyben a modell jóslata szerint a csillagokban nagy mennyiségű látens hő szabadul fel, ami lassítja a lehűlési folyamatot. Egyes esetekben a lassulás mértéke elérheti a 2 milliárd évet, vagyis galaxisunk életkorának 15 százalékát.

Ez az első közvetlen bizonyíték arra, hogy a fehér törpék kikristályosodnak, vagyis folyékonyból szilárd halmazállapotúba mennek át – jelentette ki Tremblay. „Pont ötven éve jósolták meg, hogy egy bizonyos fényesség- és színértéknél felhalmozódást kellene tapasztalnunk a fehér törpék körében, de most először sikerült ezt megfigyelésekkel is alátámasztani.”

Illusztráció egy fehér törpéről, a csillagmaradvány körül törmelékmező láthatóForrás: NASA, ESA, STScI, and G. Bacon (STScI)

Milliárdnyi kristálygömb

„Fejlődése valamely pontján minden fehér törpének át kell esnie a kristályosodáson, bár a nagyobb tömegűekkel ez hamarabb történik– folytatta a kutató. – Ez azt jelenti, hogy a mi galaxisunkban már milliárdnyi fehér törpe fejezte be ezt az átalakulást, így ezek lényegében kristálygömbök az égen. Maga a Nap is kristályos fehér törpeként végzi majd mintegy 10 milliárd év múlva.”

A kristályosodás az a folyamat, melynek során az anyag halmazállapota folyékonyról szilárdra vált, s ennek során atomjai szabályos szerkezetbe rendeződnek. A fehér törpék magjában uralkodó extrém nyomásviszonyok közepette az atomok annyira szorosan egymáshoz préselődnek, hogy elektronjaik szabaddá válnak, és a kvantumfizika szabályainak engedelmeskedő áramvezető elektron-gázként hatják át a pozitív töltésű atommagok alkotta folyadékot. Amint azonban a mag nagyjából 10 millió fokosra hűl, a kisugárzott energia már elég ahhoz, hogy a folyadék szilárdulni kezdjen, s belőle szénben dús köpeny által körülvett fémes mag alakul.

Egy fehér törpe belseje (illusztráció)Forrás: STÉPHANE CHARPINET

Nemcsak hogy bizonyítékot találtunk a szilárdulás során zajló hőkibocsátásra, de lényegesen nagyobb hőkibocsátást kell feltételeznünk ahhoz, hogy a tényleges megfigyeléseinket megmagyarázzuk – tette hozzá Tremblay. – Úgy véljük, ez a többlet onnan származik, hogy először az oxigén kristályosodik ki, majd lesüllyed a mag mélyére, olyasformán, ahogy a földi folyók medrében lesüllyed az üledék. A mélybe szálló oxigén felfelé nyomja a szenet, és ez a szétválás gravitációs energiát szabadít fel."

Nagy lépést tettünk a hidegebb fehér törpék, s velük a Tejút összes öreg csillagának pontos kormeghatározása felé – foglalta össze a tudós. „A felfedezést jelentős részben a Gaia megfigyeléseinek köszönhetjük. Hála azoknak a precíz méréseknek, amelyekre ez a műhold képes, soha nem remélt alapossággal sikerült megértenünk a fehér törpék belső szerveződését. A Gaia előtt úgvy 100-200 fehér törpének ismertük a pontos távolságát és fényességét; ez a szám immár 200 ezerre gyarapodott. Ami a fehér törpékben zajlik, az egy olyan kísérlet az ultrasűrű anyaggal, amilyet földi laboratóriumban egyszerűen lehetetlen lenne elvégezni.”