هر آنچه باید درباره‌ کوتوله‌های سفید بدانیم

کوتوله‌های سفید مانند آرامگاهی کهن اطلاعات زیادی درباره مرگ و زندگی ستاره‌ها در خود دارند. این اجرامِ به‌شدت متراکم آخرین مرحله تکامل ستاره‌هایی با جرم کم تا متوسط هستند.

ستاره‌های آسمان نامحدود و ثابت به‌نظر می‌رسند؛ اما درنهایت اغلب ستاره‌ها به کوتوله‌ سفید تبدیل می‌شوند. کوتوله سفید آخرین مرحله تکامل ستاره‌های کم‌جرم یا ستاره با جرم متوسط است. کوتوله‌های سفید معمولا بسیار متراکم هستند. جرم آن‌ها با جرم خورشید مقایسه‌پذیر است؛ درحالی‌که ممکن است هم‌اندازه با زمین باشند. درخشش اندک کوتوله سفید حاصل انتشار انرژی گرمایی ذخیره شده است و فرایند همجوشی در کوتوله سفید رخ نمی‌دهد. نزدیک‌ترین کوتوله سفید به زمین، Sirius B در فاصله ۸/۶ سال نوری است.

کوتوله‌ سفید sirius B درکنار ستاره‌ همراهش، Sirius A

شکل‌گیری

ستاره‌هایی مثل خورشید از ابرهای گاز و غباری شکل گرفته‌اند که براثر جاذبه متراکم شده‌اند. چگونگی تکامل ستاره‌ها به جرم آن‌ها وابسته است. پرجرم‌ترین ستاره‌ها با هشت برابر جرم خورشید یا بیشتر هرگز به کوتوله‌ سفید تبدیل نمی‌شوند؛ بلکه درپایان به‌شکل انفجارهای عظیم سوپرنوا منفجر و بقایای آن‌ها به ستاره‌ نوترونی یا سیاهچاله تبدیل می‌شود.

ستاره‌های کوچک‌تر روند ملایم‌تری طی می‌کنند. ستاره‌هایی با جرم کم تا متوسط مثل خورشید در پایان عمر به غول‌های سرخ تبدیل می‌شوند. سپس، لایه‌های بیرونی آن‌ها به حلقه‌هایی موسوم به سحابی سیاره‌ای تبدیل می‌شود، تا جایی که هسته ستاره به‌شکل کوتوله‌ سفید باقی می‌ماند.

ستاره‌های کوچک‌تر مثل کوتوله‌های سرخ حتی به مرحله‌ غول سرخ هم نمی‌رسند. با تمام‌شدن سوخت هیدروژن این ستاره‌ها، تنها یک کوتوله سفید از آن‌ها باقی می‌ماند. بااین‌حال، شاید تریلیون‌ها سال طول بکشد تا کوتوله‌های سرخ کل سوخت خود را مصرف کنند. ازآنجاکه تنها ۱۳.۸ میلیارد سال از عمر کیهان می‌گذرد، هیچ کوتوله‌ سفید از کوتوله‌های سرخ به‌جا نمانده است.

ویژگی‌ها

وقتی سوخت ستاره‌ای به‌پایان می‌رسد، دیگر نیروی بیرونی حاصل فرایند گداخت بر آن وارد نمی‌شود و در جهت داخل شروع به فروپاشی می‌کند. کوتوله‌های سفید تقریبا هم جرم خورشید هستند؛ اما شعاع آن‌ها تقریبا برابر با شعاع زمین است. به‌همین‌دلیل، این اجرام پس از ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها از متراکم‌ترین اجرام فضایی هستند.

به‌نقل از ناسا، جاذبه سطح کوتوله سفید ۳۵۰ هزار برابر بیشتر از جاذبه‌ روی زمین است؛ درنتیجه شخصی ۶۸ کیلوگرمی روی زمین در کوتوله سفید ۲۲.۷ میلیون کیلوگرم خواهد بود. دلیل تراکم فراوان کوتوله سفید برخورد الکترون‌ها به یکدیگر و تشکیل ماده‌ای به نام «ماده فاسد‌کننده» است.

وقتی ستاره‌ای به غول سرخ تبدیل می‌شود، نزدیک‌ترین سیاره‌ها به مدار خود را می‌بلعد؛ اما برخی از سیاره‌ها جان سالم به‌در می‌برند. براساس یافته‌های فضاپیمای اسپیتز ناسا، حداقل ۱ تا ۳ درصد از کوتوله‌های سفید جو آلوده دارند که نشان می‌دهند مواد سنگی روی آن‌ها سقوط کرده‌اند.

کوتوله‌ سفید می‌تواند هم جرم خورشید و هم‌اندازه با زمین باشد

ترکیب و ساختار

کوتوله‌ سفید ترکیبی از عناصر هلیوم و کربن و هسته‌ اکسیژن است که در دریایی از الکترون‌های پرانرژی شناور هستند. فشار الکترون‌ها باعث حفظ کوتوله‌ سفید می‌شود و از فروپاشی و تبدیل آن به اجرامی مثل ستاره‌ نوترونی یا سیاهچاله جلوگیری می‌کند.

هسته کوتوله‌ سفید ترکیبی از کربن و اکسیژن است. اطراف این هسته را لایه‌ای نازک از هلیوم می‌پوشاند و در اغلب موارد، لایه‌ای نازک‌تر از جنس هیدروژن هم وجود دارد. تعداد کمی از کوتوله‌های سفید پوشش رقیق کربنی دارند.کوتوله‌های سفید در آغاز حیات بسیار داغ هستند و پرتوهای ایکس و فرابنفش زیادی در فضای اطراف خود منتشر می‌کنند. بخشی از این پرتوها در میان جریان‌های بیرون گاز به‌دام می‌افتند. گاز‌ها با نور فلوئورسنت و رنگین‌کمانی از رنگ‌ها به نام سحابی سیاره‌ای به این پدیده واکنش می‌دهند. سحابی‌هایی مثل سحابی حلقه‌ای در صورت فلکی چنگ از این دست هستند و چشم‌اندازی از آینده‌ خورشید را نشان می‌دهند.

سرنوشت کوتوله‌های سفید

کوتوله‌های سفید سفری طولانی و دراز در پیش دارند. این اجرام به‌آهستگی سرد می‌شوند تا درنهایت به توده‌ای راکد از کربن و اکسیژن تبدیل می‌شوند که بدون هیچ درخششی در فضا شناور است. این توده کوتوله سیاه نامیده می‌شود؛ اما عمر جهان به‌اندازه‌ای نیست که شاهد شکل‌گیری کوتوله‌های سیاه باشیم. اولین کوتوله سفید از اولین نسل ستاره‌ها هنوز فاصله زیادی با سردشدن دارد. دمای سردترین‌ کوتوله‌های سفیدی که می‌شناسیم، به ۴۰۰۰ درجه‌ سانتی‌گراد می‌رسد.

سرنوشت تمام کوتوله‌های سفید به خاموشی کامل نمی‌انجامد؛ ولی سرنوشت کوتوله‌های سفید واقع در منظومه‌های دوتایی ممکن است به نوا ختم می‌شود. در این فرایند کوتوله سفید گاز ستاره همراه خود را می‌رباید. هیدروژن در پلی گازی به سطح کوتوله سفید منتقل می‌شود. با انباشته‌شدن هیدروژن، دما و تراکم آن به نقطه‌ای می‌رسد که کل پوسته جدید آن ناگهان می‌سوزد و انرژی عظیمی آزاد می‌کند. نوا باعث می‌شود کوتوله سفید درخشش کوتاهی داشته باشد. در این بازه‌ کوتاه، درخشش کوتوله سفید پنجاه‌هزار برابر خورشید است و سپس کم‌کم از درخشش آن کاسته می‌شود.

رویداد نوا زمانی رخ می‌دهد که کوتوله سفید گاز ستاره همراه خود را برباید

درصورتی‌که گاز با سرعت زیادی جمع شود، کوتوله سفید از نقطه بحرانی عبور می‌کند. درنتیجه، به‌جای سوختن لایه‌ای نازک کل ستاره به‌طور ناگهانی منفجر می‌شود. آزادسازی شدید انرژی باعث انفجار کوتوله سفید می‌شود و هسته ستاره در یکی از رویدادهای پرانرژی جهان محو می‌شود: سوپرنوای نوع 1a. انرژی‌ آزادشده از کوتوله سفید فقط در مدت یک ثانیه برابر با کل انرژی خورشید در ده‌میلیارد سال حیاتش است. این انفجار می‌تواند چند هفته یا چند ماه در کل کهکشان بدرخشد.

ستاره‌شناس‌ها از سوپرنواهای 1a به‌عنوان شمع‌های استانداردی برای اندازه‌گیری دوردست‌ترین فاصله‌های کیهانی استفاده می‌کنند. سال ۲۰۱۱، رصد کوتوله‌های سفید در حال انفجار در کهکشان‌های دوردست جایزه نوبل را برای پژوهشگران آن به‌همراه آورد و به کشفی عظیم‌تر منجر شد: سرعت انبساط کیهان رو به افزایش است.

دما و تشعشعات

کوتوله سفید معمولا درخشش کم و هسته بسیار داغی دارد. کوتوله‌های سفید در اوایل شکل‌گیری بسیار داغ هستند؛ اما هیچ منبعی از انرژی را ندارند و به‌تدریج انرژی باقی‌مانده خود را از دست می‌دهند و سرد می‌شوند. در مدت بسیار طولانی دمای کوتوله‌های سفید بسیار کاهش می‌یابد، تا جایی که هیچ منبعی از گرما نخواهند داشت. منبع پرتوهای کوتوله سفید تجدیدناپذیر و فاقد جایگزین است.

 اکتشافات

کوتوله‌های سفید در قرن هجدهم کشف شدند. ۳۱ ژانویه ۱۷۸۳، ویلیام هرشل اولین کوتوله سفید 40 Eridani B را کشف کرد. این کوتوله‌ سفید بخشی از منظومه‌ ستاره‌ سه‌تایی به نام 40 Eridani است. دومین کوتوله‌ سفید سال ۱۸۶۲ کشف شد؛ اما در ابتدا تصور می‌شد کوتوله‌ سرخ باشد. این کوتوله سفید ستاره‌ همراه Sirius بود. این ستاره‌ همراه Sirius B نامیده می‌شد و با دمای سطح تقریبی ۲۴۷۰۰ درجه‌ سانتی‌گراد، ستاره‌ بسیاری داغی بود. گرچه Sirius B ده‌هزار برابر کم‌نورتر از ستاره‌ اصلی Sirius A بود، جرم ستاره‌ Sirius B تقریبا هم‌اندازه با خورشید بود. این یعنی سیریوس B زمانی مشابه خورشید بوده است.

در سال ۱۹۱۷، آدریان وان‌مانان کوتوله‌ای سفید به نام وان مانن ۲ را کشف کرد. تا سال ۱۹۳۹، تعداد کوتوله‌های سفید کشف‌شده به هجده عدد‌ و تا سال ۱۹۹۹، به بیش از دوهزار عدد رسید و از آن زمان به‌بعد، تلسکوپ SDSS بیش از ۹۰۰۰ کوتوله‌ سفید را کشف کرد. نزدیک‌ترین کوتوله‌ سفید به زمین Sirius B است که در فاصله‌ ۸/۶ سال نوری از زمین قرار دارد.

تصویر مفهومی هنرمند از سیاره‌ مشتری‌مانند WD 1856 b در مدار ستاره‌ کوتوله‌ سفید

سکونت‌پذیری

طبق شواهد، کوتوله‌های سفید با دمای کمتر از ۹۷۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌توانند کمربند حیاتی در فاصله ۰.۰۰۵ تا ۰.۰۲ واحد نجومی داشته باشند (هر واحد نجومی برابر با فاصله بین زمین تا خورشید است) که تا سه‌میلیارد سال دوام می‌آورد. ازانجاکه معمولا اندازه کوتوله سفید از سیاره‌های اطرافش کوچک‌تر است، شاید در طول عبور سیاره‌ها از مقابل ستاره، کسوف‌های شدیدی به‌وجود بیایند. پژوهش‌های جدیدتر این ایده‌ را نقد کرده‌اند؛ زیرا مدارهای نزدیک به کوتوله‌های سفید درمعرض نیروهای قوی جزرومدی قرار دارند که به‌دلیل اثر گلخانه‌ای می‌توانند این سیاره‌ها را سکونت‌ناپذیر کنند.