Białe karły mogą być masywniejsze niż pozwala teoria

Gdy gwiazda kończy zapasy paliwa do reakcji termojądrowych i odrzuca swoje zewnętrzne warstwy, pozostaje po niej jądro o rozmiarach mniej więcej Ziemi. Ten niezwykle gęsty obiekt zwany jest białym karłem. Taki los czeka m.in. nasze Słońce za kilka miliardów lat.

Jeśli biały karzeł nie obraca się szybko i nie jest magnetyczny, istnieje teoretyczny górny limit jego masy. Wynosi około 1,4 masy Słońca. Limit ten jest zwany od nazwiska indyjskiego astrofizyka, pracującego w USA – Subrahmanyana Chandrasekhara. Otrzymał on Nagrodę Nobla z fizyki w 1983 roku m.in. za obliczenie tej masy. Obecnie masa ta jest zwana granicą Chandrasekhara i ma bardzo duże znaczenie w badaniach ewolucji gwiazd.

Gdy biały karzeł zbudowany z węgla i tlenu zbliża się do granicy Chandrasekhara, jego jądro staje się wystarczająco gęste, aby zacząć „spalać” węgiel, co prowadzi do wybuchu termojądrowego znanego jako supernowa typu Ia. Ma to znaczenie dla ustalania odległości w kosmosie. Jeżeli bowiem ta granica jest stała, to uwolniona w wybuchu energia też będzie za każdym razem taka sama, dzięki czemu można potraktować supernową tego rodzaju jako tzw. świecę standardową do wyznaczania odległości we Wszechświecie (porównując jasność obserwowaną do tej znanej teoretycznie).

Naukowcy z Indyjskiego Instytutu Nauki wraz ze współpracownikami pokazali, że silne wewnętrzne pola magnetyczne mogą pozwalać niektórym białym karłom na wzrost masy znacznie ponad granicę Chandrasekhara. W jednej z symulacji osiągnięto nawet 2,4 masy Słońca, czyli dużo więcej niż limit 1,4 masy Słońca.

Taką możliwość przewidywano teoretycznie od kilkudziesięciu lat. Wsparciem dla niej były obserwacje nietypowo superjasnych supernowych typu Ia, które sugerowały masy do 2,8 masy Słońca. Teraz symulacje potwierdzają, że gwiazda może ewoluować do takiego rodzaju białego karła – taka ścieżka jest możliwa.

W ramach symulacji naukowcy zmodyfikowali kod komputerowy STARS, opracowany przez Uniwersytet Cambridge. Dodano do niego efekty pola magnetycznego oraz ochładzanie białych karłów. W ten sposób udało się modelować gwiazdy od stadium ciągu głównego (główny etap ewolucji gwiazd, to na nim znajduje się obecnie Słońce) do białego karła. Następnie modelowano układ podwójny, w którym biały karzeł pobiera materię od towarzyszącej mu gwiazdy.

Symulacje pokazały, że pole magnetyczne zaczyna być istotne, gdy biały karzeł nabiera masy. Biały karzeł staje się gęstszy, zmniejsza promień i wzmacnia pole magnetyczne. Silniejsze pole magnetyczne wywiera dodatkowe ciśnienie wewnątrz gwiazdy, pomagając jej w przeciwstawieniu się własnej grawitacji i utrzymaniu większej masy. To zmienia zależność pomiędzy masą i rozmiarem białego karła, skutkując nowym limitem dla masy, zależnym od własności pola magnetycznego.

W przykładowym modelu węglowo-tlenowy biały karzeł o masie 1,02 masy Słońca, utworzony z gwiazdy o 8 masach Słońca, pobierał materię z towarzyszki. W zwykłym modelu osiągnął około 1,4 masy Słońca, a w modelu z polem magnetycznym aż 2,4 masy Słońca.

Wyniki badań ukazały się w „The Astrophysical Journal Letters”, pierwszym autorem pracy jest Zenia Zuraiq z Indyjskiego Instytutu Nauk w Bengaluru (Indie).