Белые карлики строят курорты

Где жить более комфортно, чем у Солнца

Николай Городецкий 20.10.2014, 08:37
Реконструированное изображение объекта WD1953-011 в художественном исполнении Gabriel Perez Diaz, Instituto de Astrofisica de Canarias (Servicio MultiMedia)
Реконструированное изображение объекта WD1953-011 в художественном исполнении

Российские астрономы из Специальной астрофизической обсерватории РАН и их зарубежные коллеги выяснили, на планетах у каких звезд жизнь может быть более комфортной, чем у Солнца: это белые карлики с большими магнитными полями. В работе, опубликованной в Nature, ученые смогли объяснить, почему таких звезд довольно много.

Подобно всему живому, звезды рождаются, живут и умирают. Образовавшись из облаков межзвездного газа, они долго, от сотен миллионов до миллиардов лет в зависимости от их массы, существуют за счет внутренних источников термоядерного горения. В этот период звезды демонстрируют стабильность и обеспечивают относительное постоянство условий вокруг них. Такое длительное, медленно эволюционирующее равновесие создает благоприятные условия, способствующие формированию разнообразных планетных миров, в том числе и высокоорганизованных, подобных земному.

Однако, исчерпав за миллиарды лет жизни запасы термоядерного топлива, звезда становится на путь смерти. На этом пути ее внутренние части сжимаются в сверхплотные, раскаленные ядра, а внешние части звезда сбрасывает в межзвездное пространство, разрушая созданные за миллиарды лет жизни окружающие ее миры.

Эта драматическая стадия заканчивается образованием сверхплотных карликовых звезд — белых карликов, нейтронных звезд или даже черных дыр — гипотетических сингулярностей, не имеющих геометрического размера.

Большинство звезд заканчивают свой жизненный путь в виде белого карлика — сверхплотной звезды размером с Землю. До недавнего времени особого интереса к изучению белых карликов не было. В отличие от других компактных объектов Вселенной — нейтронных звезд и черных дыр, персонифицирующих природные лаборатории для исследования релятивистских физических эффектов, — белые карлики считались мертвыми звездами, постепенно угасающими угольками гигантских костров термоядерного горения звезд — их предков.

Между тем выяснилось, что это далеко не так.

Белые карлики обладают целым рядом уникальных особенностей, исследование которых может уже в ближайшем будущем совершить серьезный прорыв в науках о жизни.

Среди этих особенностей наиболее интересными является, например, чрезвычайно большое время остывания белых карликов, то есть эти звезды пригодны для того, чтобы вокруг них снова сформировались планеты в результате захвата межзвездного материала или иных причин.

Другая интересная особенность белых карликов — наличие на поверхностях некоторых из них крупномасштабных реликтовых магнитных полей огромной напряженности.

В статье, опубликованной в ночь на понедельник в журнале Nature, международная группа астрономов под руководством Геннадия Валявина из Специальной астрофизической обсерватории РАН представила объяснение некоторым непонятным до настоящего времени закономерностям, связанным со свойствами магнитных полей компактных звезд-белых карликов.

Среди этих закономерностей наиболее странной являлась тенденция к избыточно частому обнаружению экстремально сильных магнитных полей у сравнительно старых звезд этого класса по сравнению с молодыми. Причиной оказалось аномально большое земедление процесса остывания белых карликов с наиболее сильными магнитными полями. В результате некоторые из этих звезд являются одними из наиболее старых, еще наблюдаемых объектов Галактики, происшедших из реликтовых звезд промежуточных масс.

Эти же звезды являются потенциально интересными для поисков у них планет.

Объяснение феномену замедления остывания белых карликов получено на основании кооперативных астрофизических исследований одной из таких звезд — WD1953-011. В исследовании приняли участие 20 астрономов из разных стран — России, Германии, Канады, Украины, Мексики, Чили, Великобритании, Южной Кореи и Испании. В результате этих наблюдений были получены детальные карты распределения магнитного поля и яркости-температуры по поверхности WD1953-011. Теоретический анализ этих распределений позволил сделать заключение о том, что сильные магнитные поля белых карликов практически полностью останавливают конвективный вынос энергии из недр этих звезд к поверхности, тормозя тем самым их остывание.

Это торможение оказывается настолько сильным, что, дойдя до так называемой конвективной фазы, когда белый карлик уже достаточно стар, он становится практически вечным «фонариком» Вселенной с температурой поверхности около 6000 К и характерным временем остывания, сравнимым с временем жизни Вселенной. Хотя это время еще нужно уточнять в специальных теоретических исследованиях.

В результате в процессе остывания белые карлики с наиболее сильными магнитными полями накапливаются в избытке за той точкой их эволюции, когда у них включается конвекция, а магнитное поле не дает ей развиться в полной мере.

«Сам по себе факт объяснения избыточных частот встречаемостей белых карликов с сильными магнитными полями интересен, наверное, только для специалистов. Для широкой аудитории более интерес факт, что такие звезды живут значительно дольше своих слабомагнитных «родственников» до момента их полного остывания, — говорит руководитель исследования, к.ф.-м.н. Геннадий Валявин. — Белые карлики с экстремально большими магнитными полями являются, таким образом, зондами реликтовых процессов звездообразования Галактики. С другой стороны, очень медленное остывание магнитных белых карликов делает их интересными и перспективными звездами для поиска в их «зонах жизней» обитаемых планет. «Зоны жизни» у обычных белых карликов все-таки слишком быстро мигрируют к их поверхностям в процессе эволюции, что делает эти звезды «малоинтересными» в плане поиска у них потенциально обитаемых планет. У сильномагнитных белых карликов ситуация в этом плане принципиально другая: их «зоны жизни» перемещаются к их поверхностям значительно медленнее.

В результате, если в такой зоне у магнитного белого карлика будет обнаружена планета, она будет существовать там в течение многих миллиардов лет в условиях, подобным тем, в которых существует планета Земля.

Причем эти условия могут быть даже более комфортными, чем на Земле. Это исследование, таким образом, определяет перспективы дальнейших исследований нашей группы: это изучение деталей эволюции магнитных белых карликов и поиск у них планет. До настоящего времени мы работали в этой теме вне наших плановых тем, поддерживаемые главным образом собственным энтузиазмом. С этим результатом мы на какое-то время стали мировыми лидерами направления и начинаем искать финансовую поддержку в российских и зарубежных фондах фундаментальных исследований».

Таким образом, наличие магнитных полей у белых карликов, как следует из результатов исследования авторов, делает некоторые из эти звезд комфортными для того, чтобы на их планетах зародилась жизнь. Крупномасштабное магнитное поле экстремальной напряженности значительно удлиняет время их жизни и полностью стабилизирует, в буквальном смысле замораживает их радиационную активность. В результате на некотором удалении от поверхности магнитного белого карлика (150–300 значений его радиуса) образуется так называемая зона жизни, которая существует там на временах, возможно, даже более 10 млрд лет.

Астроклиматические условия в этих зонах в каком-то смысле даже более комфортные, чем в «зоне жизни» у Солнца. Всем нам известные земные проблемы, такие как магнитные бури и другие напасти, связанные с наличием солнечной активности, у этих звезд отсутствуют. Если в такой зоне магнитного белого карлика по тем или иным причинам оказывается скалистая планета типа Земли, то со временем на ней вполне может образоваться жизнь. Кроме того, непосредственная близость наблюдаемых белых карликов к Солнечной системе и их малые размеры делают эти звезды очень удобными для того, чтобы начать систематический поиск наличия у них планетных систем.