Вырожденное вещество и белые карлики

Белый карлик — это остывающее, размером с Землю ядро, оставшееся от звезды малой или средней массы, поддерживаемое не теплом, а квантовым давлением плотно упакованных электронов.

Definition

Вырожденное вещество — это вещество, сжатое настолько, что квантовые силы исключения заполняют доступные низкоэнергетические состояния и создают давление, почти не зависящее от температуры, а белый карлик — это компактный звёздный остаток, поддерживаемый давлением вырождения его электронов.

Scope

Тема охватывает физику электронно-вырожденного вещества, структуру белых карликов, поддерживаемых давлением электронного вырождения, обратную зависимость массы от радиуса и предельную массу Чандрасекара, медленное остывание белых карликов и их использование в качестве «космических часов», а также их состав и кристаллизацию.

Core questions

• Что поддерживает белый карлик, если он больше не сжигает топливо?
• Почему более массивные белые карлики имеют меньшие радиусы?
• Какова максимальная масса белого карлика?
• Как остывают белые карлики и как это позволяет датировать их?

Key concepts

• электронное вырождение
• принцип исключения Паули
• соотношение масса-радиус
• предел Чандрасекара
• остывание белых карликов
• углеродно-кислородное ядро
• кристаллизация

Key theories

Давление электронного вырождения

При плотностях белых карликов электроны вынуждены переходить в вырожденное состояние, в котором принцип исключения Паули создаёт давление, зависящее от плотности, но почти не зависящее от температуры, что позволяет холодному остатку бесконечно долго сопротивляться гравитации.

Предел массы Чандрасекара

По мере увеличения массы белый карлик сжимается, и когда электроны становятся релятивистскими, давление больше не может противостоять гравитации; выше предела Чандрасекара, составляющего около 1,4 солнечных масс, стабильных белых карликов не существует, что является центральным результатом для сверхновых типа Ia.

Mechanisms

Когда звезда малой или средней массы сбрасывает свою оболочку, её горячее углеродно-кислородное ядро остаётся в виде белого карлика, в котором плотно упакованные электроны создают давление вырождения, уравновешивающее гравитацию без какого-либо источника тепла. Без термоядерного синтеза остаток просто излучает свою запасённую тепловую энергию и остывает в течение миллиардов лет, в конечном итоге кристаллизуясь.

Clinical relevance

Белые карлики являются наиболее распространёнными звёздными остатками и ключевыми космическими часами: их возраст остывания позволяет датировать звёздные популяции, предел Чандрасекара определяет сверхновые типа Ia, используемые в качестве стандартизуемых свечей для космологии, а их физика дала первое доказательство того, что квантовое вырождение поддерживает звёзды.

History

Фаулер применил новую квантовую статистику к белым карликам в 1926 году, Чандрасекар вывел предельную массу в 1931 году, несмотря на сопротивление Эддингтона, а Местел разработал теорию остывания белых карликов в 1950-х годах, которая лежит в основе их использования в качестве космических хронометров.

Key figures

• Subrahmanyan Chandrasekhar
• Ralph Fowler
• Arthur Eddington
• Leon Mestel

Seminal works

• chandrasekhar1931
• shapiro1983

Frequently asked questions

Почему белый карлик не коллапсирует, хотя он не сжигает топливо?

Его поддержка обеспечивается давлением электронного вырождения, квантовым эффектом, который не требует тепла; даже когда белый карлик остывает до температуры, близкой к абсолютному нулю, это давление сохраняется и продолжает удерживать его от коллапса под действием гравитации.

Почему существует максимальная масса для белых карликов?

Добавление массы делает белый карлик плотнее и меньше, заставляя его электроны двигаться со скоростью, близкой к скорости света; релятивистские электроны создают меньшее давление при данном сжатии, поэтому при массе более примерно 1,4 солнечных масс гравитация преодолевает поддержку, и звезда не может оставаться стабильным белым карликом.