A Naphoz hasonló tömegű csillagok fejlődésük során vörös óriássá alakulnak, majd életüket folyamatosan hűlő, pislákoló fényű fehér törpeként fejezik be. A közelmúltban egy kutatócsoport kimutatta, hogy ezek a csillagtetemek lassabban hűlnek ki és halványulnak el, mint azt a korábbi számítások alapján gondoltuk. Ez tehát azt jelenti, hogy az eddig „halottnak”, vagyis fúziós szempontból inaktívnak gondolt fehér törpecsillagok mégis termelnek energiát a haláluk után. Ez ellentmond annak a napjainkig széles körökben elfogadott nézetnek, miszerint a fehér törpékben már nem zajlik energiatermelés. Ez a szenzációs, új eredmény arra is rávilágít, hogy bizonyos fehér törpék akár évmilliárdokkal idősebbek lehetnek a korábban becsült életkoruknál.

Néhány évvel ezelőtt a kutatók a Gaia űrmisszió 2019-es adataiból kimutatták, hogy vannak olyan fehér törpék, amelyek hőmérséklete évmilliárdokon át nem változott, vagyis nem követték a feltételezett hűlési ütemet. Most egy nemzetközi kutatócsoport Antoine Bédard és Simon Blouin vezetésével megfejtette a megdöbbentő megfigyelés rejtélyét.

Folyamatok a felszín alatt

A fehér törpék a Naphoz hasonló kezdeti tömegű csillagokból alakulnak ki, amikor azok felélik üzemanyag-tartalékaikat, és képtelenné válnak a további fúziós energiatermelésre.

Röviden emlékezzünk meg arról, hogy hogyan jut el egy kis kezdeti tömegű csillag a születésétől a fehér törpe állapotig. A fiatal csillagok magjában a hidrogén héliummá történő fúziója évmilliárdokig megóvja a csillagot a gravitációs összeomlástól. Ekkor a csillag magjában a hidrogénatommagok folyamatosan héliumatommagokká alakulnak át, így egy idő után a belsejében létrejön egy szinte tisztán héliumból álló mag, és egy azt körülölelő hidrogénhéj. Mivel a csillagmagban nem elég magas a hőmérséklet ahhoz, hogy beinduljon a hélium nehezebb elemekké történő fúziója, leáll az energiatermelés, és ennek következtében csökkenni kezd a nyomás. Az egyensúly felborul, és a mag elkezd összehúzódni, amelynek következtében felforrósodik, és kitágítja a körülötte lévő hidrogénhéjat. A tágulás hatására viszont hűlésnek indul a csillag külső része. Ekkor jut el a csillag a vörös óriás állapot egyensúlyáig. Ez az egyensúly akkor szűnik meg, amikor a csillag belsejében beindul a hélium fúziója. A csillagfejlődés fizikai folyamatai ezután egészen addig folytatódnak, amíg a csillag magjában az összes hélium át nem alakul szénné és oxigénné, amelyek azonban már nem tudnak fúzióba kezdeni. A csillag fokozatosan lefújja magáról külső burkait, és végül egy pusztán szénből és oxigénből álló fehér törpe, és az akörül táguló planetáris köd marad vissza. A legelfogadottabb elméletek szerint ezek a további energiatermelésre képtelen fehér törpék lassan, évmilliárdok leforgása alatt fekete törpévé hűlnek.

A kis tömegű csillagok életútja. (Forrás: Encyclopædia Britannica, Inc.)

A kutatók tehát mostanáig úgy gondolták, hogy a Naphoz hasonlóan kis tömegű csillagok végállapotai ezek a fúziós szempontból inaktívnak tekinthető fehér törpék. A legelfogadottabb elméletek szerint a hőtermelés megszűnésével a csillag magjában a kezdetben forró és turbulens mozgást végző plazma szilárd halmazállapotúvá fagy. Ennek a folyamatnak az eredményeként tehát a fehér törpék fokozatosan, évmilliárdok alatt a belsejüktől kezdve a külső rétegeikig haladva szilárddá válnak.

Bédard kutatócsoportjának legújabb eredményei azonban némileg ellentmondanak ennek a régóta elfogadott elméletnek: szerintük ugyanis vannak olyan fehér törpék, amelyekben a sűrű plazma nem teljesen szilárdul meg. Felfedezésük szerint az ilyen csillagoknak a felszíne alatt a fiatalság forrása rejlik.

A fehér törpék belső szerkezetének két különböző modellje. Balra: a régebben elfogadott elméletek szerinti fokozatos megszilárdulás a csillag magjától a külső régiók felé haladva. Jobbra: az új felfedezés szerinti úszó kristályos belső szerkezet. (A kép forrása: Robert Lea/Bédard et al.)

Ezekben az elméleteket meghazudtolóan viselkedő fehér törpékben a tudósok szerint olyan szilárd, kristályos anyagok keletkeznek, amelyek képesek úszni a náluk sűrűbb, cseppfolyós halmazállapotú anyag felszínén. Amint ez a szilárd, kristályos anyag a csillag felsőbb rétegei felé áramlik, beszorítja a folyékony anyagot a csillag magjához közelebbi rétegekbe. Ez az anyagszállítódás a fehér törpe belsejében gravitációs energiát szabadít fel, amely energia hővé alakulva egy ideig képes megállítani a fehér törpék folyamatos hűlésének folyamatát.

„A vizsgált fehér törpék mérési jellemzői és az azokból számolt fizikai paraméterek igazolják elméletünk helyességét. ” – nyilatkozta Bédard. – „Most először látjuk ezt az anyagszállítási folyamatot a csillagok belsejében, ami különösen izgalmas: nem mindennapi élmény egy teljesen új asztrofizikai folyamat feltárása.”

A kutatás a következő nyitott kérdéssel kecsegtet a jövő csillagászai felé: mi teszi különbözővé a korábbi elméletek által jósolt ütemben hűlő és az újonnan felfedezett, lassabban halványuló fehér törpéket?

„A különbség valószínűleg a csillagok összetételében rejlik”. – emelte ki Blouin. – „Vannak olyan csillagok, amelyek két másik csillag összeolvadásával keletkeznek. Amikor ezek a fejlődésük végső stádiumában fehér törpévé alakulnak, az összetételük megváltozik oly módon, hogy lehetségessé válnak azok a fizikai folyamatok, amelyek létrehozzák a fent említett, úszó, kristályos szerkezetet.”

A korábbi nézetek alapján a fehér törpék korát a csillagászok a hőmérséklettel hozták összefüggésbe: minél hidegebbnek látták az adott fehér törpét, annál idősebbnek feltételezték. Az újonnan felfedezett fűtési folyamat ismerete azonban felülírja ezt az elméletet, hiszen még ezeknek a halottnak hitt csillagoknak a belsejében is lejátszódhatnak a hőtermelésre irányuló folyamatok, amelyek tovább lassítják öregedésüket. Ez az új eredmény tehát tovább árnyalja a csillagok kormeghatározásának módszereit, éppen ezért a róla írt tanulmányt a kutatócsoport az igen nívós, Nature című folyóiratban publikálta.

A cikk forrása: https://www.space.com/white-dwarf-fountain-of-youth-cooling-process