Valge kääbus: kompaktne lõppstaadium Päikese‑sarnaste tähtede

Valge kääbus on kompaktne täht, mille aine on erakordselt kokku surutud. Gravitatsioon surub aine nii tihedaks, et aatomid ioniseeruvad — neilt on elektronid ära võetud ehk elektronid ei kuulu enam sidusatena üksikute aatomite külge, vaid moodustavad tugevalt degenereerunud elektronse gaasi. Valge kääbuse mass on sageli võrreldav Päikese massiga (tüüpiliselt ~0,6 M☉), kuid tema ruumala on sarnane Maa omaga, mistõttu tema keskmine tihedus on väga suur — miljoneid kuni sadu miljoneid kg/m3.

Moodustumine ja evolutsioon

Valged kääbused on lõplikud jäänused nende tähtede puhul, kelle evolutsiooniline seisund ei jõua neutronitähe ega supernoova monumendini. Üle 97% Linnutee tähtedest lõpeb sellisena. ^§1 Pärast vesinikku sulandava põhiseeria tähe peamise kütuse ammendumist paisub täht punase hiiglase ehk superhiiglase faasi, kus tuumas süttib heeliumi sulandumine süsinikuks ja hapnikuks. Kui punasel hiiglasel ei ole piisavalt massi süsiniku täielikuks sulatamiseks, koguneb tema keskmesse peamiselt mitteaktiivne süsinik ja hapnik. Kui täht heidab oma väliskihid ära ja moodustub planetaarne udukogu, jääb alles tihe tuum — noor valge kääbus.

Koostis ja massipiirid

Enamasti koosnevad valged kääbused peamiselt süsinikust ja hapnikust (C–O tuum), kuid väiksemate masside ja mõnede binaarsüsteemide puhul võivad tekkida ka heelium‑valged kääbused. Suurema eelkäia massi (aga siiski alla Chandrasekhari piiri) korral võib tuum olla rikastunud oksüdeeritud elementidega (nt O–Ne–Mg). Oluline piirmäär on Chandrasekhari piir (~1,44 M☉): sellest raskem tuum ei saa enam olla stabiilne ainult elektroni degenereerumissurvega ja lõpptulemus võib olla neutrontäht või supernoova.

Füüsikalised omadused

Toe mehhanism: valge kääbust ei toeta enam termotuumareaktsioonide toodetud soojus — see ei ole energiavarustus. Tähe gravitatsioonilist kokkutõmbumist peatab kääbusel elektronide degenereerumisega seotud hoidmisjõud (Pauli põhimõte), mis ei sõltu temperatuurist.
Mass ja raadius: tüüpiline valge kääbus kaalub ~0,5–0,7 M☉ ja raadius on ligikaudu Maa suurus; raskemad valged kääbused on tihedamad ja väiksema raadiusega.
Pindtingimus: väga suur pindgravitatsatsioon (log g ~7–9) põhjustab gaasiliste atmosfääride väga laialivalguvaid spektrijooni.
Värvus ja temperatuur: noored valged kääbused on kuumad (Tef > 100 000 K) ja sinakamad; aja jooksul nad jahtuvad ning muutuvad punakamaks. Jahtumisaeg kuni mitme miljardite aastate pikkuseni tähendab, et universumi vanusesse mahub palju erineva temperatuuri ja vanusega kääbuseid.
Kristalliseerumine: süsivesinike (süsinik/hapnik) tuumas algab kristalliseerumine ja vabanev latentne soojus aeglustab jahtumist; selle mõju on täheldatav valgete kääbuste jahtumiskõverates.
Sissemõjud: paljudel valgetel kääbustel on tugevad magnetväljad, kiire pöörlemine, pulseerivad variatsioonid (nt ZZ Ceti tüüpi pulsatsioonid) ning mõnel on ümber tolmu- ja kivikeha kettad ja metallidega saastunud atmosfäärid, mis viitab planeetide või asteroidide hävitamisele.

Interaktsioonid binaarsüsteemides ja lõppsaatus

Valged kääbused osalevad aktiivselt ka binaarsüsteemide dünaamikas. Kui valge kääbuse satelliit varustab teda piisavas koguses materjaliga (akretsioon), võib toimuda novatüüpne plahvatus (tähesisesed pinnale süsivesinike leegid) või massi juurdekasv viia Chandrasekhari piiri ületamiseni ja süttimiseni kui tüüp Ia supernoova — selle protsessi tähendus on erakordselt suur kosmoloogilistel kaugusemõõtmistel.

Täheldamine ja tähendus teaduses

Valged kääbused on tähtede elutsükli uurimisel võtmeobjektid: nende jahtumisaeg ja heledus võimaldavad hinnata tähtede populatsioonide vanust (kosmo‑kellad). Lähedasi valgeid kääbuseid saab tuvastada visuaalselt või spektroskoopia abil; atmosfääri keemiline koostis (näiteks metallide olemasolu) annab vihjeid varasemate planeetide jäätmete akreteerumisest. Planetaarsete udukogude läbiva tuumaga on valged kääbused seotud ka tähtede massi kaotuse ja galaktilise keemilise arengu protsessidega.

Meie Päikese saatus

Meie Päike käitub samuti: kui tema kütus lõpeb, läbib ta punase hiiglase staadiumi, kaotab suuri koguseid oma gaasi ja lõpuks tõmbub kokku, jättes alles tiheda tuuma, mis muutub nooreks valgeks kääbuseks. Oodatav valge kääbuse mass jääb siis ligikaudu poole kuni kahe kolmandiku Päikese massist.

Valged kääbused on seega tähtede elu ja surma olulised tunnistajad ning annavad meile infot nii tähekehade sisemisest füüsikast (degenereerunud aine, kristalliseerumine, magnetism, pulsatsioonid) kui ka galaktilisest evolutsioonist ja varasematest planeedisüsteemidest.

Hubble'i kosmoseteleskoobi poolt tehtud pilt Sirius A-st ja Sirius B-st. Sirius B, mis on valge kääbus, on näha nõrga valguskiirena palju heledamast Sirius A-st vasakul allapoole.

Valged kääbustähed

Ajalugu

Valged kääbused avastati 18. sajandil. Esimese valge kääbustähe nimega 40 Eridani B avastas 31. jaanuaril 1783 William Herschel. ^{p73 See} on osa kolme tähe süsteemist nimega 40 Eridani.

Teine valge kääbus avastati 1862. aastal, kuid esialgu peeti seda punaseks kääbuseks. Tegemist oli väikese tähega Siriuse lähedal. Selle kaaslase, Sirius B, pinnatemperatuur oli umbes 25 000 kelvini, mistõttu seda peeti kuumaks täheks. Kuid Sirius B oli umbes 10 000 korda nõrgem kui põhitäht Sirius A. Teadlased on avastanud, et Sirius B mass on peaaegu sama suur kui Päikesel. See tähendab, et kunagi oli Sirius B meie Päikese sarnane täht.

1917. aastal avastas Adriaan van Maanen valge kääbuse, mida nimetatakse Van Maanen 2. See oli kolmas avastatud valge kääbus. See on Maale lähim valge kääbus, välja arvatud Sirius B.

Kiirgus ja temperatuur

Valge kääbus on madala heledusega (kogu kiirguse hulk), kuid väga kuuma tuumaga. Tuuma võib olla ¹⁰⁷ K, kuid pind on ainult ¹⁰⁴ K.

Valge kääbus on oma tekkimisel väga kuum, kuid kuna tal puudub energiaallikas, kiirgab ta järk-järgult oma energiat ära ja jahtub. See tähendab, et tema kiirgus, mis annab talle alguses sinise või valge värvi, väheneb aja jooksul. Väga pika aja jooksul jahtub valge kääbus temperatuurini, mille juures ta enam valgust ei kiirga. Kui valge kääbus ei saa ainet kaaslase tähest või mõnest muust allikast, pärineb tema kiirgus oma salvestatud soojusest. Seda ei asendata.

Valged kääbused jahtuvad aeglaselt kahel põhjusel. Neil on äärmiselt väike pindala, kust seda soojust välja kiirata, seega jahtuvad nad järk-järgult, jäädes pikaks ajaks kuumaks. Samuti on nad väga läbipaistmatud. Valge kääbus koosneb suures osas degeneratiivsest ainest, mis peatab valguse ja muu elektromagnetilise kiirguse, nii et kiirgus ei kanna palju energiat ära.

Lõpuks jahtuvad kõik valged kääbused mustadeks kääbusteks, mida nimetatakse nii, sest neil puudub energia valguse tekitamiseks. Mustad kääbused ei ole veel olemas, sest valge kääbuse jahtumine võtab kauem aega kui universumi praegune vanus. Must kääbus on see, mis jääb tähest järele, kui kogu selle energia (soojus ja valgus) on ära kasutatud.

Taassüttimine

Valged kääbused võivad uuesti süttida ja plahvatada supernoovana, kui nad saavad rohkem materjali. Valge kääbuse stabiilseks jäämiseks on olemas maksimaalne mass. Seda nimetatakse Chandrasekhar'i piiriks.

Näiteks võib kääbus tõmmata materjali kaaslase tähest, viies selle üle Chandrasekhar'i piiri. Lisamass käivitaks süsinikufusioonireaktsiooni. Astronoomid arvavad, et see uuesti süttimine võib olla Ia-tüüpi supernoovade põhjuseks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on valge kääbus?

V: Valge kääbus on kompaktne täht, mille aine on gravitatsiooni mõjul kokku surutud ja mille elektronid on ära võetud.

K: Kuidas on valge kääbuse mass võrreldav Päikese omaga?

V: Valge kääbuse mass on sarnane Päikese omaga, kuid tema ruumala on sarnane Maa omaga.

K: Millist tüüpi tähtedest saavad valged kääbused?

V: Valged kääbused on kõigi nende tähtede lõplik evolutsiooniline seisund, mille mass ei ole piisavalt suur, et muutuda neutrontäheks. Üle 97% Linnutee tähtedest muutuvad valgeteks kääbustähtedeks.

K: Kuidas kujuneb punane hiiglane?

V: Kui põhiseeria tähe vesinikku sulandav eluiga lõpeb, paisub ta ja moodustab punase hiiglase, mille tuumas sulandub heelium süsinikuks ja hapnikuks. Kui tal ei ole piisavalt massi süsiniku sulatamiseks, koguneb selle keskmesse mitteaktiivne süsinik ja hapnik.

K: Mis juhtub pärast selle väliskihi irdumist, et moodustada planetaarne udukogu?

V: Pärast väliskihi eraldumist, et moodustada planetaarne udukogu, jääb alles tuum, millest saab valge kääbus.

K: Kas valge kääbus sisaldab materjali, milles toimuvad termotuumareaktsioonid?

V: Ei, valge kääbuse materjal ei läbi enam termotuumareaktsioone, nii et tal puudub energiaallikas ja ta ei saa end gravitatsioonikollapsi vastu soojuse abil toetada.

K: Kuidas saab meie Päikesest valge kääbus?

V: Meie Päike muutub valgeks kääbuseks, kui ta on oma elu lõpu lähedal kütus otsa saanud; kõigepealt läbib punase hiiglase staadiumi, seejärel kaotab enamiku gaasi, kuni see, mis on alles jäänud, tõmbub kokku nooreks valgeks kääbuseks.