Observatoř Gaia odhaluje, jak se hvězdy podobné Slunci mění po zániku

Tento proces krystalizace materiálu uvnitř bílých trpaslíků byl předpovězený už před padesáti lety, ale až do vypuštění observatoře Gaia nebyli astronomové schopni pozorovat tyto objekty s dostatečnou přesností, aby mohli odhalit detaily procesu.

„Donedávna jsme znali vzdálenosti k jen několika stovkám bílých trpaslíků, přičemž mnoho z nich tvořilo shluky, v nichž byly objekty přibližně stejného věku,“ vysvětluje Pier-Emmanuel Tremblay z britské University of Warwick. Tremblay je hlavním autorem studie, která nyní vychází v časopise Nature.

„Díky observatoři Gaia nyní známe vzdálenosti, jasnost a barvu stovek tisíc bílých trpaslíků, což je dostatečný vzorek z vnější části Mléčné dráhy. Přitom jejich záběr v hmotnosti nebo stáří je nesmírně široký.“

Jde právě o přesnou znalost vzdálenosti k těmto hvězdám, co dělá z dat mise Gaia zlomový okamžik. Dovoluje totiž astronomům stanovit jejich skutečnou jasnost s bezprecedentní přesností.

Bílí trpaslíci jsou pozůstatky hvězd střední velikosti, tedy hvězd podobných našemu Slunci. Jakmile tyto hvězdy spotřebují veškeré své palivo v jádru, přijdou o své svrchní vrstvy a za sebou zanechají žhavé jádro, které se začne chladit.

Tyto ultra-husté pozůstatky během procesu chladnutí stále emitují tepelnou radiaci. Jsou tak astronomům viditelné, ovšem jako slabé objekty. Odhaduje se, že až 97 procent hvězd v Mléčné dráze se jednou změní v bílé trpaslíky, zatímco většina masivních hvězd skončí jako neutronové hvězdy nebo černé díry.

Chladnutí bílého trpaslíka trvá miliardy let. Jakmile dosáhne jistou teplotu, původně horká hmota v jeho jádru začne krystalizovat a stane se pevnou. Jde o podobný proces jako na Zemi, kde se kapalná voda mění v led při nula stupních Celsia. Jen s tím rozdílem, že tato teplota je u bílých trpaslíků extrémně vysoká a činí zhruba deset miliónů stupňů Celsia.

Ve své studii astronomové analyzovali více než 15 tisíc kandidátských hvězdných pozůstatků ve vzdálenosti 300 světelných let od Země, které pozorovala observatoř Gaia. Byli schopni vidět tyto trpaslíky jako poněkud odlišnou skupinu.

„Viděli jsme množství bílých trpaslíků různých barev a jasnosti, kteří nebyli – z hlediska vývoje – jakkoliv propojeni,“ komentuje Pier-Emmanuel Tremblay.

„Dospěli jsme k názoru, že nejde o odlišnou populaci bílých trpaslíků, ale o efekt chladnutí a krystalizace, který jsme předpověděli před padesáti lety.“

Teplo uvolněné během procesu krystalizace, který trvá několik miliard let, zdánlivě zpomaluje vývoj bílých trpaslíků: mrtvé hvězdy přestávají tmavnout a díky tomu se začnou jevit o dvě miliardy let mladší, než ve skutečnosti jsou. A to má v konečném důsledku vliv na naše chápání hvězdných uskupení, jejichž součástí bílí trpaslíci jsou.“

„Bílí trpaslíci jsou tradičně využíváni pro datování věku hvězdných populací, jako jsou třeba shluky hvězd, vnější disk nebo halo naší Mléčné dráhy,“ vysvětluje Pier-Emmanuel Tremblay.

„Nyní musíme vyvinout lepší modely krystalizace, abychom získali přesnější odhady věku těchto systémů.“

Přitom ne všichni bílí trpaslíci krystalizují stejným tempem. Masivnější hvězdy chladnou rychleji a dosáhnou teploty, při níž dochází ke krystalizaci, už za miliardu let. Bílí trpaslíci s menší hmotností, kteří jsou v době, jíž předpokládáme u Slunce jako závěrečné stádium života, chladnou pomalejším způsobem. Trvá jim to zhruba šest miliard let.

Slunci zbývá ještě přibližně pět miliard let do doby, kdy se stane bílým trpaslíkem. Astronomové odhadují, že to pak bude trvat dalších pět miliard let, než vychladne do podoby krystalové koule.

„Výsledky studie podtrhují univerzálnost observatoře Gaia a různorodost jejího využití,“ vysvětluje projektový vědec mise Gaia v ESA Timo Prusti.

„Je úžasné sledovat, jak skenování hvězd na obloze a měření jejich vlastností může vést k důkazu existence fenoménu s hmotou tak hustou, že jej nelze replikovat v laboratoři.“