Tausende von Kristallkugeln am Himmel

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Weiße Zwergsterne Sind sie gespenstische Überreste sonnenähnlicher Sterne, nachdem sie ihre notwendige Versorgung mit Kernbrennstoff aufgebraucht haben und mit relativem Frieden und großer Schönheit umgekommen sind? Diese Sterngeister sind von einem mehrfarbig schimmernden Leichentuch aus schimmernden Gasen umgeben, die einst die äußeren Schichten des jetzt toten Vorfahrensterns waren. In der Tat werden diese mehrfarbigen leuchtenden Gase – genannt planetarische Nebel– sind so schön, dass Astronomen sie häufig als "Schmetterlinge des Universums" bezeichnen. Der Kern des Vorläufer-Sterns wird zum weißer Zwerg.

Typischerweise a weißer Zwerg kühlt sich im Laufe von ungefähr einer Milliarde Jahren ab und wird schließlich zu einem immer noch hypothetischen Sternrelikt namens a schwarzer Zwerg das gibt überhaupt kein Licht oder Wärme ab und ist somit unsichtbar. Obwohl unsere Sonne dazu verdammt ist, einer dieser seltsamen Sterngeister zu werden, wenn sie das Ende dieser langen Sternstraße erreicht, müssen Astronomen viele noch verbleibende Rätsel lösen, die in Bezug auf diese dichten Bewohner des Sternzoos noch bestehen. Im Januar 2019 gaben Astronomen der University of Warwick in Großbritannien bekannt, dass sie den ersten direkten Beweis dafür gefunden haben, dass sich diese dichten Sternreste zu Kristallen verfestigen

In ungefähr 10 Milliarden Jahren wird unsere eigene Sonne dazu bestimmt, einer dieser Kristalle am Himmel zu werden. Unser Stern wird, wenn er dieses Stadium erreicht – wie alle anderen toten Sterne seiner Art – einen Kristallkern aus metallischem Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten. Der älteste weiße Zwerge sind fast so alt wie unsere alte Milchstraßengalaxie und bestehen wahrscheinlich fast ausschließlich aus Kristall. Das Team von Astronomen der University of Warwick schlägt vor, dass unser Himmel buchstäblich mit diesen Kristallsternen gefüllt ist.

Beobachtungen haben gezeigt, dass die Kerne von weiße Zwergsterne bestehen aus festem Sauerstoff und Kohlenstoff als Ergebnis eines Phasenübergangs, der während ihres Lebenszyklus auftritt. Dieser Phasenübergang ähnelt der Art und Weise, wie Wasser zu Eis wird – nur tritt er bei viel höheren Temperaturen auf. Dieser Übergang könnte diese Sterngeister möglicherweise Milliarden von Jahren älter machen als bisher angenommen.

Die Geister kleiner toter Sterne

Ein typischer weißer Zwergstern ist ungefähr 50% so massereich wie unsere Sonne, aber nur geringfügig größer als die Erde. In der Tat, a weißer Zwergstern ist ungefähr 200.000 Mal so dicht wie die Erde. Dies macht diese Sterngeister zu einer der dichtesten Sammlungen von Materie im Kosmos Neutronensterne. Neutronensterne sind die Relikte massereicher Sterne, die Supernova geworden sind. Ein Teelöffel voll Neutronenstern Material kann so viel wiegen wie ein Ozeandampfer.

weil weiße Zwergsterne Sind die Überreste von "toten" kleinen Sternen, die ursprünglich wie unsere Sonne waren, fehlt ihnen die Fähigkeit, inneren Strahlungsdruck zu erzeugen – was bedeutet, dass sie über den Prozess von keine Energie mehr erzeugen können Kernfusion. Alle Sterne sind, unabhängig von ihrer Größe und Masse, wirklich immense Kugeln aus hauptsächlich Wasserstoffgas. Von der Geburt eines Sterns bis zu seinem endgültigen "Tod" muss er inneren Druck erzeugen, indem er immer schwerere und schwerere atomare Elemente aus leichteren verschmilzt (Sternnukleosynthese), um dem mächtigen und unerbittlichen Druck von selbst entgegenzuwirken Schwere. Strahlungsdruck und Schwere muss während des gesamten nuklear verschmelzenden "Lebens" eines Sterns ein empfindliches Gleichgewicht aufrechterhalten, um den Stern federnd zu halten. Während des Kampfes zwischen diesen beiden alten Konkurrenten, Druck schiebt alles raus und weg vom Stern, während Schwere versucht rücksichtslos, alles in Richtung des Sterns zu ziehen. Wenn einem Stern die notwendige Versorgung ausgeht nukleare Verschmelzung Treibstoff, Strahlungsdruck hört auf und Schwere ist der Sieger. Wenn der Vorläufer-Stern ein kleiner Stern wie unsere Sonne ist, stirbt er eines sanften und schönen Todes, dessen Kern von einem schimmernden, schimmernden Stern eingehüllt ist Planetennebel. Massivere Sterne gehen nicht so sanft in diese gute Nacht und sprengen sich in einer mächtigen, brillanten, tödlichen Supernova-Explosion in die Luft – und lassen nur eine Neutronenstern oder Sternmasse Schwarzes Loch dahinter, um seine tragische Geschichte zu erzählen.

Unter normalen Umständen Zwillingselektronen – die als solche mit denselben definiert sind rotieren–Es ist verboten, das gleiche Energieniveau zu besetzen. Leider gibt es nur zwei Möglichkeiten, wie sich ein Elektron drehen kann, je nachdem, was als bezeichnet wird Pauli-Ausschlussprinzip in der Physik. Bei einem normalen Gas gibt es kein Problem, da nicht genügend Elektronen herumtanzen, um alle Energieniveaus vollständig aufzufüllen. Jedoch, weiße Zwerge sind nicht normal, weil ihre Dichte viel höher ist, wodurch alle tanzenden Elektronen viel gedrückt werden, viel näher zusammen. Physiker bezeichnen diesen Zustand als "entartetes" Gas. Dies bedeutet, dass alle Energieniveaus in seinen Atomen mit Elektronen gefüllt sind. Damit Schwere zu komprimieren weißer Zwerg Außerdem muss es die Elektronen zwingen, dorthin zu gehen, wo sie nicht können. Sobald ein Stern "entartet" ist, Schwere kann es nicht weiter komprimieren. Dies liegt daran, dass in der seltsamen Welt von Quantenmechanik, Es steht kein Platz mehr zur Verfügung. Aus diesem Grund ist die weißer Zwerg überlebt, aber nicht mehr von innen Fusionsreaktionen. Stattdessen wird die weißer Zwerg überlebt als Ergebnis von quantenmechanisch Prinzipien, die seinen totalen Zusammenbruch verbieten.

Entartete Materie hat einige bizarre Eigenschaften. Zum Beispiel, je massiver die weißer Zwerg, je kleiner es ist. Je mehr Masse a weißer Zwerg enthält, je mehr seine Elektronen gezwungen werden, immer enger zusammenzudrücken, um genug nach außen zu produzieren Druck die zusätzliche Masse zu unterstützen. Leider gibt es eine Grenze für die Menge an Masse a weißer Zwerg kann besitzen. Der indisch-amerikanische Astrophysiker und Nobelpreisträger Subramanyan Chandrasekhar (1910-1995) stellte fest, dass diese Grenze etwa das 1,4-fache der Sonnenmasse beträgt. Dies ist als die bekannt Chandrasekhar Limit.

Die Dinge werden noch seltsamer. EIN weiße Zwerge Die kraftvolle und unerbittliche Oberflächengravitation ist etwa 100.000-mal so groß wie die der Erde. Die schwereren Atome in der weiße Zwerge Die Atmosphäre sinkt, während die leichteren an der Oberfläche bleiben. Etwas weiße Zwerge Sport vollständig Wasserstoff- oder Heliumatmosphäre – die zwei leichtesten atomaren Elemente. In Ergänzung, Schwerkraft unerbittliches Ziehen zieht die Atmosphäre in einer sehr dünnen Schicht um sich herum. Wenn dieser seltsame Zustand auf der Erde eintreten würde, würde die Spitze der Atmosphäre unter die Spitze des Empire State Building sinken.

Viele Astrophysiker schlagen vor, dass sich unter der Atmosphäre vieler Menschen eine etwa 50 Kilometer dicke Kruste befindet weiße Zwergsterne. Am Boden dieser Kruste kann sich ein Kristallgitter befinden, das aus Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen besteht.

Tausende von Kristallsternen im Weltraum

Die Entdeckung des Kristalls weiße Zwergsterne, von einem Team unter der Leitung von Dr. Pier-Emmanuel Tremblay von der University of Warwick's Abteilung für Physikwurde in der Zeitschrift veröffentlicht Natur. Die Studie basiert hauptsächlich auf Beobachtungen, die mit dem Gaia der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) Satellit.

weil wWeiße Zwerge sind einige der ältesten Sterne im beobachtbaren Universum, sie sind äußerst nützlich. Dies liegt daran, dass sie aufgrund ihres vorhersehbaren Lebenszyklus hervorragende kosmische Uhren sind und diese Sterngeister das Alter von Gruppen benachbarter Sterne mit hoher Genauigkeit abschätzen können.

Bevor ein sonnenähnlicher Stern zugrunde geht, wird er ein weißer Zwerg, Es muss zuerst einen Ballon haben, um riesig, geschwollen und feurig zu werden roter Riese–und der roter Riese Kern wird der weißer Zwerg. Dies geschieht, nachdem diese gigantischen purpurroten Sterne umgekommen sind und ihre äußeren Gasschichten abgeworfen haben.

Das Team der Astronomen der University of Warwick wählte 15.000 aus weißer Zwerg Kandidaten, die sich innerhalb von ungefähr 300 Lichtjahren von der Erde befinden, verwenden Gaia Satellitenbeobachtungen. Anschließend analysierten die Wissenschaftler ihre neu gewonnenen Daten zu den Leuchtstärken und Farben der Geistersterne.

Sie stellten dann einen Überschuss an Sternen bei bestimmten Farben und Leuchtdichten fest, die keinem einzelnen Alter oder keiner Masse entsprachen. Als die Astronomen dies mit Evolutionsmodellen von Sternen verglichen, wurde festgestellt, dass der Überschuss mit der Phase ihrer Sternentwicklung zusammenfällt, wenn vorhergesagt wird, dass latente Wärme in großen Mengen emittiert wird – was zu einer Verlangsamung ihres Abkühlungsprozesses führt. Es wird berechnet, dass diese dichten Sterne in einigen Fällen ihre Alterung um bis zu 2 Milliarden Jahre verlangsamt haben. Dies entspricht 15% des Alters unserer Milchstraßengalaxie.

Dr. Tremblay sagte gegenüber der Presse im Januar 2019: "Dies ist der erste direkte Beweis dafür weiße Zwerge kristallisieren oder Übergang von flüssig zu fest. Es wurde vor fünfzig Jahren vorausgesagt, dass wir eine Häufung von beobachten sollten weiße Zwerge bei bestimmten Leuchtdichten und Farben aufgrund der Kristallisation und erst jetzt wurde dies beobachtet. "

"Alle weiße Zwerge kristallisieren irgendwann in ihrer Entwicklung, wenn auch massiver weiße Zwerge Gehen Sie den Prozess früher durch. Dies bedeutet, dass Milliarden von weiße Zwerge in unserer Galaxie haben den Prozess bereits abgeschlossen und sind im Wesentlichen Kristallkugeln am Himmel. Die Sonne selbst wird zu einem Kristall weißer Zwerg in etwa 10 Milliarden Jahren ", fügte er hinzu.

Kristallisation ist der Prozess, der auftritt, wenn Material in einen festen Zustand übergeht und seine Atome eine geordnete Struktur bilden. Unter dem extremen Druck in den Kernen von weiße ZwergeAtome werden so eng zusammengedrückt, dass ihre Elektronenwolken ungebunden werden. Dieser Prozess hinterlässt ein leitendes Elektronengas, das den Gesetzen von Quantenphysikund positiv geladene Kerne in flüssiger Form. Wenn der Kern schließlich auf etwa 10 Millionen Grad abkühlt, wurde genug Energie freigesetzt, damit sich die Flüssigkeit zu verfestigen beginnt. Dadurch entsteht im Herzen ein metallischer Kern mit einem Mantel aus Kohlenstoff.

"Wir haben nicht nur Hinweise auf eine Wärmefreisetzung beim Erstarren, sondern es wird auch erheblich mehr Energie freigesetzt, um die Beobachtungen zu erklären. Wir glauben, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass der Sauerstoff zuerst kristallisiert und dann in den Kern sinkt, ein Prozess, der der Sedimentation auf einem Fluss ähnelt Bett auf der Erde. Dies wird den Kohlenstoff nach oben drücken und diese Trennung wird Gravitationsenergie freisetzen ", erklärte Dr. Tremblay der Presse weiter.

"Wir haben einen großen Schritt nach vorne gemacht, um das genaue Alter für diesen Kühler zu ermitteln weiße Zwerge und deshalb alte Sterne der Milchstraße. Ein Großteil des Verdienstes für diese Entdeckung ist dem zu verdanken Gaia Beobachtungen. Dank der genauen Messungen, zu denen es fähig ist, haben wir das Innere von verstanden weiße Zwerge auf eine Weise, die wir nie erwartet hatten. Vor Gaia Wir hatten 100-200 weiße Zwerge mit präzisen Abständen und Leuchtdichten – und jetzt haben wir 200.000. Dieses Experiment mit ultradichter Materie kann in keinem Labor der Erde durchgeführt werden ", fügte er hinzu.

Da ein Diamant nur kristallisierter Kohlenstoff ist, kann leicht ein Vergleich zwischen einem kühlen Kohlenstoff / Sauerstoff durchgeführt werden weißer Zwerg und ein sehr großer Diamant.

Die neue Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natur unter dem Titel Kernkristallisation und Anhäufung in der Abkühlungssequenz sich entwickelnder weißer Zwerge.

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