Co vypovídají o budoucnosti Sluneční soustavy bílí trpaslíci? (1)

Dvoudílné povídání o zvláštních discích, které obklopují mnohé z pozorovaných bílých trpaslíků - a budoucnosti Sluneční soustavy. Díl první. (délka blogu 10 min.) 

Bílý trpaslík ...

... je jednou z nejběžnějších hvězd ve vesmíru - je to závěrečná fáze vývoje některých hvězd. Existují ještě dva další typy konečných produktů vývoje hvězd - černé díry a neutronové hvězdy - bílí trpaslíci jsou ovšem v našem vesmíru daleko rozšířenější.

Proč se vlastně zabývat hvězdami, kterým říkáme bílí trpaslíci? 

Jsou to velice malé hvězdy, které na naší obloze nikdy neuvidíte pouhým okem. Jednou z nejznámějších je Sirius B, slabý společník hvězdy Sirius A. Je to nejbližší bílý trpaslík Sluneční soustavy - je vzdálen jen zhruba 50 světelných roků. Je velký jen asi jako Země a díky své relativní blízkosti je logicky jedním z nejlépe prozkoumaných objektů tohoto typu. Ale dokonce i jeho pozorování je ztíženo tím, že je doslova přesvícen svým jasným souputníkem - Siriem A. Sirius B má sice 98 % hmotnosti Slunce, ale jen 2,7 % jeho svítivosti.

Přesto jsou bílí trpaslíci velice zajímavé hvězdy - a to hned ze dvou důvodů. 

Jednak jsou to hvězdy, které byly kdysi podobné Slunci nebo měly dokonce ještě více hmoty než má naše vlastní centrální hvězda. Pozorovat planetární soustavy u takových hvězd je velice těžké, zatím se totiž většina pozorování daří díky zákrytům hvězdy planetou nebo změně její dráhy opravdu velkou planetou. 

U malých a tedy i málo zářivých hvězd jsou jak zákryty tak změny dráhy daleko zřetelnější než u velkých hvězd. Bílí trpaslíci, kteří jsou konečným stádiem vývoje takové velké hvězdy, svou svítivost ale silně zredukovali, takže tu odpadá alespoň jeden ze dvou původních problémů při studování jejich planetárních soustav. 

Bílí trpaslíci tedy mohou vydat taková svědectví o svých planetách, jaká by původní hvězda vydat nemohla. 

Druhým důvodem pro neutuchající zájem astronomů je fakt, že i naše Slunce se jednoho vzdáleného dne stane bílým trpaslíkem. Naši planetární soustavu pak čeká stejný osud, jaký můžeme pozorovat u jejích daleko starších příbuzných. Pokud tedy studujeme planetární disky malých vzdálených bílých hvězd, díváme se přímo na naši vlastní budoucnost. Co v ní vlastně vidíme…?

Znečištění atmosfér bílých trpaslíků

Podivné znečištění atmosfér a povrchů bílých trpaslíků kovy pozorovali vědci už dávno. Pojmem kov s přitom neoznačuje určitá třída chemického prvku - tak jak jsme zvyklí kovy chápat ve svém běžném životě. Astronom říká kov každému chemickému prvku, těžšímu než vodík nebo helium. Může se tedy jednat o kyslík, dusík, uhlík nebo křemík, stejně jako o kovy v našem běžném smyslu slova nebo třeba některý z těžkých lanthanoidů. 

Prvního bílého trpaslíka s povrchem, bohatým na kovy (v astronomickém smyslu slova) objevil holandský astronom van Maanen v roce 1919. V té době šlo o poměrně neobvyklý objev - hvězda se totiž podobala trpaslíkovi, ale její spektrum odpovídalo poměrně jasné a těžké hvězdě. 

Přibližně v 70. letech 20. století si lidé začali uvědomovat, že přítomnost kovů v atmosféře bílých trpaslíků je vlastně neobvyklý jev, který by neměl existovat.

Typickou atmosférou bílého trpaslíka by měl být vodík s příměsí helia. Když se totiž na povrchu trpasličí hvězdy objeví některý z těžších prvků, měl by se začít do hvězdy ponořovat. K tomu dochází hned z několika důvodů. 

Hlavním z nich je fakt, že bílí trpaslíci jsou husté a velmi malé objekty. Mají hmotnost podobnou hmotnosti Slunce, zatímco velikost odpovídá přibližně poloměru Země. Proto je gravitační zrychlení na jejich povrchu tak velké, že k tomuto usazování těžkých prvků v nitru hvězdy může v některých případech docházet už v řádu několika dnů.

Dokonce i tehdy, když je doba usazování velmi dlouhá a pohybuje se okolo milionů nebo desítek milionů let - je ve srovnání s dobou života těchto bílých trpaslíků velice krátká. Stáří bílých trpaslíků ve stavu, v jakém je obvykle pozorujeme, se odhaduje na několik set milionů roků, což je ovšem mnohem déle než doba usazování kovů. To může znamenat jen jedno - kovy se musely do atmosféry daného bílého trpaslíka dostat poměrně nedávno - a to nás přivádí přímo k tématu blogu. 

Odkud se bere znečištění atmosféry staré bílé hvězdy?

Nejprve se vědci domnívali, že tyto kovy pocházejí z mezihvězdného prostředí. 

Bílý trpaslík se stejně jako ostatní hvězdy v naší galaxii pohybuje mezihvězdným prostředím. Postupně se tak setkává s mezihvězdnou hmotou, kterou může nabalovat na svůj povrch. Díky tomu se do jeho atmosféry dostávají výše zmiňované chemické prvky - kovy v astronomickém smyslu slova. Tato teorie byla ale nakonec zavržena. Většina mezihvězdné hmoty se totiž skládá z vodíku a helia - a jen velice malá část je tvořena kovy. 

Následně by všichni bílí trpaslíci museli být standardně pokryti vodíkem, protože vodík je nejlehčí prvek, který klesá do nitra bílého trpaslíka nejpomaleji. Tomu ale odporuje pozorování hvězd, které mají v atmosféře velké množství helia, případně dokonce i daleko těžších prvků. 

Koncem 70. let 20. století, se objevily teorie o tom, že tyto kovy přinášejí do atmosféry své centrální hvězdy komety, které dopadají na její povrch.

V té době se však tyto myšlenky zdály nepravděpodobné a poněkud exotické. Tehdy jsme totiž ještě nevěděli, jestli kolem ostatních hvězd vůbec existují planetární soustavy a tedy také komety, které by mohly na hvězdu dopadnout. 

Koncem 80. let 20. století byl pak zaznamenám zásadní objev. Pomocí teleskopů, registrujících infračervené záření, byla v okolí jednoho z bílých trpaslíků bohatých na kovy zjištěna přítomnost disku, vyzařujícího právě tento typ záření.

To znamená, že se v okolí tohoto bílého trpaslíka nachází nějaká látka, která absorbuje záření bílého trpaslíka, zahřívá se přitom na určitou teplotu a poté tuto energii znovu vyzařuje v infračerveném pásmu elektromagnetického spektra. 

Takových bílých trpaslíků s přebytky záření v infračervené oblasti bylo časem objeveno větší množství. Jen Spitzerův vesmírný dalekohled jich například objevil a prozkoumal několik desítek. Objevil se tak další kamínek do obrovské mozaiky poznání o vývoji hvězd i jejich planetárních systémů. Dočtete se o něm v příštím blogu… 

Příště: Disky hmoty kroužící kolem bílých trpaslíků - a jak mohou souviset s nedávnou návštěvou asteroidu Oumuamua