Novinky

Rozhovor: Stéphane Vennes - Planetky mění chemické složení atmosfér bílých trpaslíků

Bílý trpaslík je závěrečné stadium vývoje hvězdy podobné Slunci. V posledních letech se ukázala zajímavá souvislost mezi chemickým složením atmosféry bílých trpaslíků a zbytky planetárních soustav kolem nich. Tímto výzkumem se zabývá Stéphane Vennes ze Stelárního oddělení Astronomického ústavu AV ČR.

Proč se hvězdy na konci svého života nafukují a mění barvu dočervena?

Nejprve si toho všimli astronomové při pozorování hvězd a teoretické vysvětlení se podařilo najít ve třicátých letech minulého století. Stručně řečeno, hvězdě dojde palivo, které se po několik miliard let spalovalo nukleárním hořením v nitru hvězdy. To způsobí kolaps jádra. Jeho smrštění znamená současně jeho zahřátí. A teplo z každého zahřátého objektu musí někudy unikat, musí opustit hvězdu. To vede k vyššímu zahřátí obálky hvězdy, než tomu bylo před dojitím paliva a tedy k jejímu rozpínání. Hvězda se začne zvětšovat. V případě našeho Slunce dojde ke zvětšení asi na stonásobek. Musíme si uvědomit, že hmotnost takové rozpínající se hvězdy je stále stejná. Jediné co se mění s narůstajícím rozměrem, je její objem na miliony původní hodnoty. Jak se atmosféra vzdaluje od žhavého jádra a zároveň řídne, snižuje se její teplota o několik tisíc stupňů. Proto tyto rozměrné hvězdy mění i svou barvu ze žluté na červenou. Jsou velké a červené a proto si vysloužily označení červení obři.

A jak se z takové velké červené hvězdy stane malý bílý trpaslík?

To se musíme podívat do jádra. Jak jsem říkal, tam došlo palivo, vodík. Jádro se smrštilo a tím velmi zhoustlo. Teplota se v něm zvýšila natolik, že místo vyhořelého vodíku se začalo spalovat hélium. Výsledkem této jaderné reakce je uhlík a kyslík. Ale i helium se takto vyčerpá, i když asi stokrát rychleji než vodík, tedy v řádu stamilionů let. Když v jádru přestane pracovat termojaderná fúze, hvězda pokračuje ve smršťování a stane se z ní tzv. degenerovaná hvězda. Tento pojem pochází ze třicátých let minulého století a popisuje kvantově-mechanický stav hmoty, ve kterém jsou elektrony tak namačkány k sobě, že odolávají jakémukoli dalšímu tlaku. Smršťování jádra se tedy zastaví a stane se hvězdou s nepředstavitelnou hustotou, kde například krabička od sirek váží několik tun. Tuto hvězdu nazýváme bílý trpaslík. Trpaslík proto, že má rozměr nikoli jako klasická hvězda, ale jen jako planeta Země a bílý proto, že jádro je rozžhavené na desítky tisíc stupňů a vyzařuje tak převážně bílé světlo. A ještě se vrátím k tomu, jak vypadá okolí hvězdy. Ta řídká červená obálka, co byla kolem jádra a kvůli které jsme hvězdě říkali červený obr, se totiž postupně doslova rozfoukala do okolí a vytvořila tzv. planetární mlhovinu. Ve vesmíru vidíme stovky takových mlhovin a v jejich středu se nachází právě bílí trpaslíci. Bílým trpaslíkem se stane i naše Slunce.

Co se děje s planetami, když se hvězda rozepne do stonásobného rozměru? V případě Slunce by to znamenalo, že by sahalo až za dráhu Merkuru a Venuše.

I pro tento proces už existují pozorování, která ukazují, jaký je osud kosmických těles v blízkosti hvězdy. Ve vesmíru jsou pozorovány velmi těsné dvojhvězdy. Ta hmotnější z obou hvězd se dříve přiblíží fázi, kdy ji dojde vodík. Pak se stává červeným obrem a zvětšuje se na stonásobek. Pokud se druhá hvězda ocitne uvnitř tohoto rozměru, začne být bržděna. Začne se po spirále pohybovat směrem k větší hvězdě. Tím se ovšem atmosféra větší hvězdy začne zahřívat a ta se o to rychleji rozpíná. Výsledkem je, že pak pozorujeme dvě hvězdná jádra v těsné blízkosti u sebe. V některých případech může dojít i k tomu, že se obě hvězdy zcela spojí a splynou v jednu. Osud planet v blízkosti hvězdy tedy bude velmi podobný. Buď se dostanou blíže ke hvězdě nebo budou zcela pohlceny a vypaří se.

A jak dopadnou planety, které obíhají ve větších vzdálenostech, než je rozměr červeného obra?

Systém vnějších planet bude čelit velkému narušení. Mezi planetami bude proudit velké množství částic rozpínající se hvězdné atmosféry a i samotné dráhy planet se budou měnit. Oproti tomu na co jsem zvyklí v naší planetární soustavě, půjde o velmi destabilizovaný stav. Planety změní své dráhy, některé mohou i vyměnit své pořadí vzdálenosti od hvězdy, popřípadě se dokonce spolu srazit.

To jediné, co ze hvězd vidíme, jsou atmosféry. Z čeho jsou složeny atmosféry bílých trpaslíků?

Chemické složení atmosfér bílých trpaslíků je velmi odlišné od složení běžných hvězd. 75 % bílých trpaslíků má téměř čistě vodíkovou atmosféru. To je ale jenom takový klam. Neznamená to, že by tam jiné prvky nebyly. Jsou tam, ale díky velmi silné gravitační síle jsou nuceny klesat k centru hvězdy, kam mi už nevidíme. Asi jako když hodíte kus železa do vody, také klesá ke dnu. Říkáme tomu gravitační usazování prvků. Ale pak je tu asi 25 % trpaslíků, u kterých tyto těžší prvky vidíme.

Proč se ty těžší prvky nepotopily i u těch 25 % trpaslíků?

Jediným možným vysvětlením je, že jsou ty chemické prvky postupně doplňovány. Pokud bílý trpaslík žije ve dvojici s jinou hvězdou, může na svůj povrch zachytávat materiál, který uniká z druhé hvězdy. Ten se pak sice utápí v atmosféře trpaslíka, ale protože je postupně doplňován, budí to dojem, že je v horní atmosféře stále. Ale u trpaslíků, kteří žijí osaměle, tam s tímto vysvětlením samozřejmě uspět nelze. Existuje nová teorie, která říká, že těžší chemické prvky se do atmosféry bílého trpaslíka dostávají postupným pohlcováním jeho planetární soustavy.

Jak může hvězda pohltit své planety a planetky?

Ta tělesa si to způsobí sama svými srážkami. Jejich dráhy byly silně narušeny tím, že se hvězda nejprve rozepnula do červeného obra, pak odhodila svou obálku do planetární mlhoviny a zůstal malý bílý trpaslík. Chaos v drahách planetek v pásu planetek, jaký máme třeba u nás mezi Marsem Jupiterem, vede k tomu, že jsou planetky vychylovány a mohou se přiblížit ke své hvězdě. Když se pak chatrná planetka příliš přiblíží k silnému gravitačnímu poli trpaslíka, je slapovými silami roztrhána. Co dokáží slapové síly, to známe všichni ze Země. U nás je vyvolává Měsíc a Slunce a způsobují přílivy a odlivy vody v mořích. Síla, která u nás pohne oceánem, na planetce způsobí její rozlomení. Kolem trpaslíka pak vzniká disk plný takových úlomků a prachu, v němž se částice postupně stále více brzdí až zcela spadnou na bílého trpaslíka.

Jde jen o teorii nebo existují pozorování, která to dokazují?

Důkaz máme. U některých bílých trpaslíků pozorujeme něco, čemu se říká infračervený exces. Tedy, že vyzařují více infračerveného záření, než by měly. Bílí trpaslíci jsou velmi horcí, nějakých 10 až 20 tisíc stupňů. Ale když se na něj zaměří kosmické infračervené dalekohledy, vidí i tepelné infračervené záření, které by vyzařovat prakticky vůbec neměly. To je vysvětlováno právě přítomností prachového disku kolem hvězdy, který má teplotu nanejvýš několika set stupňů. Není to žádná specialita bílých trpaslíků, takto jsou pozorovány a odhalovány disky kolem všech typů hvězd už řadu let. A protože prachový disk pozorujeme u těch bílých trpaslíků, které mají zároveň v atmosférách těžší chemické prvky, usuzujeme z toho, že jsou doplňovány právě z disku rozpadlých planetek.

Probíhá to doplňování pozvolna a neustále, nebo prach z planetek dopadá na povrch hvězdy v krátkých intervalech?

Je to v podstatě dost náhodný proces. Záleží na dráze planetky, jestli ji trpaslík zachytí a roztrhá. Nedochází k tomu stále, jde o občasnou událost. Každé takové „požírání“ planetky a rozpouštění prvků v atmosféře trvá desítky tisíc let a pak je na nějakou dobu klid. Statisticky nám vychází, že bílý trpaslík takto požírá planetky zhruba 2 % času. Ale nakonec hvězda pohltí všechny planetky a dojde jí tak zásobárna chemických prvků, které můžeme v atmosféře pozorovat. To je také důvod, proč je vidíme jen asi u čtvrtiny bílých trpaslíků.

Na otázky Petra Sobotky odpovídal Stéphane Vennes, vědecký pracovník Stelárního oddělení Astronomického ústavu AV ČR.