Astronomia

La struttura della nana bianca cristallizzata è correlata alla pasta nucleare?

La struttura della nana bianca cristallizzata è correlata alla pasta nucleare?

Ci sono notizie di un'analisi di un gran numero di nane bianche vicine che rivelano un "accumulo" ad un certo punto del loro raffreddamento che è stato previsto a causa di un cambiamento di fase in cui il materiale nucleare si cristallizza. Questo è analogo a una miscela di ghiaccio e acqua che rimane a 0C mentre è in fase di congelamento (o scongelamento).

Com'è questo materiale cristallino? È davvero un reticolo di nuclei di carbonio e ossigeno in una struttura riconoscibile (cubico BCC... ecc.)? È in qualche modo legato alla pasta nucleare?

Natura: cristallizzazione del nucleo e accumulo nella sequenza di raffreddamento delle nane bianche in evoluzione


Si pensa che sia cristallino nello stesso senso in cui i diamanti sono un cristallo. Le interazioni coulombiane tra gli ioni carichi positivamente diventano molto più grandi delle loro energie termiche e si depositano in un reticolo cristallino.

Entrambi rilasciano calore latente e aumenta la capacità termica termica degli ioni (la raddoppia all'incirca). Ciò provoca un "accumulo" di nane bianche con temperature interne intorno alla transizione della fase di cristallizzazione. Tuttavia, l'accumulo non è troppo ripido perché la temperatura di congelamento aumenta con la densità e gli interni delle nane bianche sono approssimativamente isotermici. Ciò significa che si congelano dall'interno verso l'esterno.

La struttura cristallina dovrebbe essere bcc.

Penso che l'unica cosa che questo abbia in comune con la pasta nucleare è che sono entrambe transizioni di fase. La pasta nucleare è l'aggregazione di nucleoni (neutroni e protoni) in forme stravaganti al fine di ridurre al minimo la densità energetica totale del gas. La temperatura non è davvero un problema qui ed è tutto a che fare con la densità.


Costruire campi magnetici nelle nane bianche

Le nane bianche, i resti compatti rimasti alla fine della vita delle stelle di piccola e media massa, si trovano spesso ad avere campi magnetici con intensità che vanno da migliaia a miliardi di volte quella della Terra. Ma come si formano questi campi?

Molteplici possibilità

È stato osservato che circa il 10-20% delle nane bianche ha campi magnetici misurabili con un'ampia gamma di intensità. Esistono diverse teorie su come potrebbero essere generati questi campi:

  1. I campi sono “fossili”.
    I deboli campi magnetici originali delle stelle progenitrici sono stati amplificati quando i nuclei delle stelle si sono evoluti in nane bianche.
  2. I campi sono causati da interazioni binarie.
    Le nane bianche che si sono formate nella fusione di una coppia binaria potrebbero aver avuto un campo magnetico amplificato a causa di una dinamo generata durante la fusione.
  3. I campi sono stati prodotti da qualche altro meccanismo fisico interno durante il raffreddamento della nana bianca stessa.

In una recente pubblicazione, un team di autori guidato da Jordi Isern (Istituto di scienze spaziali, CSIC e Istituto di studi spaziali della Catalogna, Spagna) ha esplorato questa terza possibilità.

Dinamo da cristallizzazione

I confini interni ed esterni del mantello convettivo di nane bianche carbonio/ossigeno di due diverse masse (pannello superiore vs. pannello inferiore) in funzione della luminosità. Quando la nana bianca si raffredda (verso destra), il mantello si assottiglia a causa della cristallizzazione e della sedimentazione del materiale. [Iser et al. 2017]

La fase cristallizzata della nana bianca è ricca di ossigeno, che è più densa del liquido, quindi il materiale cristallizzato affonda al centro della nana mentre si solidifica. Di conseguenza, la nana bianca forma un nucleo solido e ricco di ossigeno con un mantello liquido e ricco di carbonio che è instabile alla Rayleigh-Taylor: mentre la cristallizzazione continua, i solidi continuano ad affondare fuori dal mantello.

Modellando analiticamente questo processo, Isern e collaboratori dimostrano che le instabilità di Rayleigh-Taylor nel mantello convettivo possono guidare una dinamo abbastanza grande da generare le intensità del campo magnetico che abbiamo osservato nelle nane bianche.

Densità del campo magnetico in funzione della densità di energia della dinamo. I grafici mostrano la Terra e Giove (punti neri), le stelle T Tauri (ciano), le stelle nane M (magenta) e due tipi di nane bianche (blu e rosse). Questi giacciono sulla stessa relazione di scala? [Iser et al. 2017]

Un processo universale?

Questa configurazione - il nucleo solido con un mantello liquido instabile in cima - è esattamente la struttura che dovrebbe verificarsi in pianeti come la Terra e Giove. Allo stesso modo si pensa che i campi magnetici di questi pianeti siano generati da dinamo convettive alimentate dal raffreddamento e dalla separazione chimica dei loro interni - e il processo può anche essere ridimensionato per tenere conto dei campi magnetici di oggetti completamente convettivi come le stelle T Tauri. .

Se i campi magnetici delle nane bianche sono generati dallo stesso tipo di dinamo, questo potrebbe essere un processo universale per creare campi magnetici negli oggetti astrofisici, sebbene anche altri processi potrebbero essere all'opera.

Citazione

Jordi Isern et al 2017 ApJL 836 L28. doi:10.3847/2041-8213/aa5eae


Gli astronomi del Texas scoprono le pulsazioni nella stella morente cristallizzata

AUSTIN — Gli astronomi dell'Università del Texas ad Austin e colleghi hanno utilizzato il telescopio Otto Struve da 2,1 metri presso l'Osservatorio McDonald dell'università per scoprire le pulsazioni del residuo cristallizzato di una stella bruciata. La scoperta consentirà agli astronomi di vedere sotto l'atmosfera della stella e al suo interno, proprio come i terremoti consentono ai geologi di studiare le composizioni sotto la superficie terrestre. I risultati appaiono nell'attuale numero di Le lettere del giornale astrofisico.

Gli astronomi del Texas hanno fatto la loro scoperta in collaborazione con astronomi dell'Universidade Federal do Rio Grande do Sul in Brasile, dell'Università dell'Oklahoma e dell'Osservatorio Astrofisico Smithsonian.

La stella, GD 518, si trova a circa 170 anni luce dalla Terra nella costellazione del Draco, ma è troppo debole per essere vista senza un telescopio. È una nana bianca, una stella alla fine del suo ciclo di vita che è essenzialmente solo un nucleo bruciato, il sottoprodotto cinereo di epoche precedenti di fusione nucleare.

La stella è unica in quanto gran parte di essa è probabilmente sospesa in uno stato più simile a un solido che a un liquido o a un gas. L'interno delle stelle morenti può cristallizzarsi in modo simile al modo in cui l'acqua gelida si congela in ghiaccio, come la lenta formazione dei ghiacciai nell'acqua di raffreddamento dell'oceano.

"GD 518 è speciale perché è una nana bianca molto massiccia: ha circa 1,2 volte la massa del Sole, racchiusa in un volume più piccolo della Terra", ha detto l'autore principale J.J. Hermes, uno studente laureato presso l'Università del Texas ad Austin. "Poche nane bianche sono dotate di così tanta massa, e questa è di gran lunga la nana bianca più massiccia scoperta a pulsare".

La stella probabilmente ha anche un interno composto da elementi più pesanti di quelli che si trovano nelle tipiche stelle bruciate.

Il nostro Sole diventerà abbastanza caldo nel suo centro da permettere alla fusione nucleare di bruciare l'idrogeno in elio e, a sua volta, l'elio in carbonio e ossigeno. Il Sole finirà la sua vita tra più di cinque miliardi di anni come una nana bianca con le sue regioni centrali composte principalmente da nuclei di atomi di carbonio e ossigeno.

Ma a differenza del Sole, la stella che morì per diventare la nana bianca GD 518 era così massiccia - probabilmente più di sette volte la massa del Sole - che bruciò elementi più pesanti del carbonio e dell'ossigeno, ed è ora probabilmente una nana bianca composta da ossigeno e nuclei al neon.

La scoperta delle pulsazioni - cambiamenti periodici di luminosità sulla superficie di una stella che, in questo caso, mantengono una sintonia regolare ogni 400-600 secondi - offrirà agli astronomi un'opportunità senza precedenti di capire cosa costituisce l'interno di questa stella altamente evoluta.

Il membro del team Barbara Castanheira è una ricercatrice post-dottorato presso l'Osservatorio McDonald. "Come un bambino in un museo, agli astronomi è permesso solo guardare, non toccare, quando eseguono esperimenti", ha detto Castanheira. "Questo significa che di solito possiamo capire solo la superficie di una stella. Le pulsazioni, come il suono di una campana, ci dicono di più sulla storia, dal momento che possono svelare segreti sull'interno molto più profondo di una stella".

Le stelle nane bianche non fondono più gli elementi al loro interno per generare energia che semplicemente si raffreddano, come braci di carbone tolte da un fuoco. Ma a un certo punto i nuclei atomici all'interno della stella si raffreddano abbastanza da iniziare a stabilirsi in una struttura reticolare e cristallizzare, proprio come l'acqua che si congela nel ghiaccio. Ciò accade prima all'interno di nane bianche più massicce e, nel caso di GD 518, è probabile che sia iniziato prima che la stella avesse le condizioni giuste per eccitare le pulsazioni. La transizione verso una stella solida dovrebbe anche influenzare il modo in cui la nana bianca vibra da queste pulsazioni.

Gli astronomi devono ora affrontare il difficile compito di far corrispondere i periodi di pulsazione osservati nella stella con quelli previsti da diversi modelli della struttura del suo interno. Le osservazioni della scoperta mostrano una promessa in questa direzione, ha detto Hermes.

"Vediamo prove che la forza delle pulsazioni in questa stella è molto incoerente alcune notti la stella è ferma come un sussurro", ha detto. "Questo potrebbe essere dovuto al fatto che la nana bianca è altamente cristallizzata e le pulsazioni possono propagarsi solo in una piccola parte delle parti più esterne della stella. Hanno quindi poca inerzia e sono più suscettibili ai cambiamenti rispetto alle pulsazioni in un tipico nana bianca pulsante."

Gli astronomi dell'Università del Texas continueranno a guardare GD 518 dal McDonald Observatory, ascoltando attentamente ogni nuova nota che possa svelare la canzone cantata dalla luce di questa stella morente ultramassiccia.

Questa ricerca è stata supportata dal Norman Hackerman Advanced Research Program e dalla National Science Foundation. Fondata nel 1932, l'Università del Texas presso l'Osservatorio McDonald di Austin vicino a Fort Davis, in Texas, ospita più telescopi che intraprendono una vasta gamma di ricerche astronomiche sotto i cieli notturni più bui di qualsiasi osservatorio professionale negli Stati Uniti continentali. McDonald è la sede del telescopio Hobby-Eberly gestito dal consorzio, uno dei più grandi al mondo, che sarà presto aggiornato per iniziare l'esperimento HET Dark Energy. Leader conosciuto a livello internazionale nell'educazione e divulgazione dell'astronomia, l'Osservatorio McDonald è anche pioniere della prossima generazione di ricerca astronomica come partner fondatore del Giant Magellan Telescope.


Gli astronomi scoprono le pulsazioni in una stella cristallizzata e morente

Il telescopio Otto Struve da 2,1 metri (82 pollici) presso l'Osservatorio McDonald dell'Università del Texas. Foto di Marty Harris/Osservatorio McDonald

(Phys.org) — Gli astronomi dell'Università del Texas ad Austin e colleghi hanno utilizzato il telescopio Otto Struve di 2,1 metri presso l'Osservatorio McDonald dell'università per scoprire le pulsazioni dei resti cristallizzati di una stella bruciata. La scoperta consentirà agli astronomi di vedere al di sotto dell'atmosfera della stella e al suo interno, proprio come i terremoti consentono ai geologi di studiare le composizioni sotto la superficie terrestre. I risultati appaiono nell'attuale numero di The Lettere per riviste astrofisiche.

Gli astronomi del Texas hanno fatto la loro scoperta in collaborazione con astronomi dell'Universidade Federal do Rio Grande do Sul in Brasile, dell'Università dell'Oklahoma e dell'Osservatorio Astrofisico Smithsonian.

La stella, GD 518, si trova a circa 170 anni luce dalla Terra nella costellazione del Draco, ma è troppo debole per essere vista senza un telescopio. È una nana bianca, una stella alla fine del suo ciclo di vita che è essenzialmente solo un nucleo bruciato, il sottoprodotto cinereo di epoche precedenti di fusione nucleare.

La stella è unica in quanto gran parte di essa è probabilmente sospesa in uno stato più simile a un solido che a un liquido o a un gas. L'interno delle stelle morenti può cristallizzarsi in modo simile al modo in cui l'acqua gelida si congela in ghiaccio, come la lenta formazione dei ghiacciai nell'acqua di raffreddamento dell'oceano.

"GD 518 è speciale perché è una nana bianca molto massiccia: ha circa 1,2 volte la massa del Sole, racchiusa in un volume più piccolo della Terra", ha detto l'autore principale J.J. Hermes, uno studente laureato presso l'Università del Texas ad Austin. "Poche nane bianche sono dotate di così tanta massa, e questa è di gran lunga la nana bianca più massiccia scoperta a pulsare".

La stella probabilmente ha anche un interno composto da elementi più pesanti di quelli che si trovano nelle tipiche stelle bruciate.

Il nostro Sole diventerà abbastanza caldo nel suo centro per la fusione nucleare da bruciare l'idrogeno in elio e, a sua volta, l'elio in carbonio e ossigeno. Il Sole finirà la sua vita tra più di cinque miliardi di anni come una nana bianca con le sue regioni centrali composte principalmente da nuclei di atomi di carbonio e ossigeno.

Ma a differenza del Sole, la stella che morì per diventare la nana bianca GD 518 era così massiccia - probabilmente più di sette volte la massa del Sole - che bruciò elementi più pesanti del carbonio e dell'ossigeno, ed è ora probabilmente una nana bianca composta da ossigeno e nuclei al neon.

La scoperta delle pulsazioni - cambiamenti periodici di luminosità sulla superficie di una stella che, in questo caso, mantengono una sintonia regolare ogni 400-600 secondi - offrirà agli astronomi un'opportunità senza precedenti di capire cosa costituisce l'interno di questa stella altamente evoluta.

Il membro del team Barbara Castanheira è una ricercatrice post-dottorato presso l'Osservatorio McDonald. "Come un bambino in un museo, agli astronomi è permesso solo guardare, non toccare, quando eseguono esperimenti", ha detto Castanheira. "Questo significa che di solito possiamo capire solo la superficie di una stella. Le pulsazioni, come il suono di una campana, ci dicono di più sulla storia, poiché possono svelare segreti sull'interno molto più profondo di una stella".

Le stelle nane bianche non fondono più gli elementi al loro interno per generare energia che semplicemente si raffreddano, come braci di carbone tolte da un fuoco. Ma a un certo punto i nuclei atomici all'interno della stella si raffreddano abbastanza da iniziare a stabilirsi in una struttura reticolare e cristallizzare, proprio come l'acqua che si congela nel ghiaccio. Ciò accade prima all'interno di nane bianche più massicce e, nel caso di GD 518, è probabile che sia iniziato prima che la stella avesse le condizioni giuste per eccitare le pulsazioni. La transizione verso una stella solida dovrebbe anche influenzare il modo in cui la nana bianca vibra da queste pulsazioni.

Gli astronomi devono ora affrontare il difficile compito di far corrispondere i periodi di pulsazione osservati nella stella con quelli previsti da diversi modelli della struttura del suo interno. Le osservazioni della scoperta mostrano una promessa in questa direzione, ha detto Hermes.

"Vediamo prove che la forza delle pulsazioni in questa stella è molto incoerente alcune notti la stella è ferma come un sussurro", ha detto. "Questo potrebbe essere dovuto al fatto che la nana bianca è altamente cristallizzata e le pulsazioni possono propagarsi solo in una piccola parte delle parti più esterne della stella. Hanno quindi poca inerzia e sono più suscettibili ai cambiamenti rispetto alle pulsazioni in un tipico nana bianca pulsante."

Gli astronomi dell'Università del Texas continueranno a guardare GD 518 dal McDonald Observatory, ascoltando attentamente ogni nuova nota che possa svelare la canzone cantata dalla luce di questa stella morente ultramassiccia.


2019

Nel 2019 gli astronomi hanno utilizzato un altro approccio. Hanno cercato il segno rivelatore di qualsiasi transizione di fase, vale a dire LATENT HEAT, per confermare che la cristallizzazione avviene all'interno delle nane bianche.

Il calore latente, a volte indicato come "energia nascosta", è l'energia necessaria per modificare lo stato di un materiale senza modificarne la temperatura. Questa energia è associata ai legami tra le particelle. Quando qualcosa si congela, questa energia viene rilasciata. Quando qualcosa si scioglie, questa energia viene assorbita.

Secondo la teoria, quando una nana bianca cristallizza e le sue particelle si assemblano in un reticolo, viene rilasciato calore latente. Questo rallenta il raffreddamento e quindi l'"invecchiamento" di una nana bianca.

Il rilascio di calore latente può essere osservato statisticamente, cioè non nelle singole nane bianche. Per rilevarlo, è necessario conoscere le distanze di un gran numero di nane bianche in modo molto accurato. Ciò è stato possibile grazie alle misurazioni di alta precisione effettuate dal satellite ESA GAIA. Nel 2019 gli astronomi hanno esaminato i dati su migliaia di nane bianche candidate di varie età, masse e luminosità osservate da GAIA. I ricercatori hanno notato un accumulo statistico, un picco nella densità numerica delle nane bianche di determinate luminosità. Hanno riconosciuto il "raggruppamento" osservato come un momento in cui le nane bianche rilasciano calore latente e il raffreddamento rallenta. Bingo!

Quindi, sì, le nane bianche si cristallizzano mentre si raffreddano e possiamo vederlo!


Migliaia di stelle osservate trasformarsi in cristalli per la prima volta

AUSTIN, Texas — La prima prova diretta di nane bianche cristallizzate è stata scoperta da un team internazionale di ricercatori che include un astronomo dell'Università del Texas ad Austin. Previsto mezzo secolo fa, la prova diretta di queste stelle sarà pubblicata domani sulla rivista Natura.

Le osservazioni hanno rivelato che queste stelle hanno un nucleo di carbonio solido e ossigeno a causa di una transizione di fase durante il loro ciclo di vita, simile all'acqua che si trasforma in ghiaccio. Questa transizione di fase rallenta il loro raffreddamento in diversi modi, rendendoli potenzialmente miliardi di anni più vecchi di quanto si pensasse in precedenza.

La scoperta, guidata da Pier-Emmanuel Tremblay dell'Università di Warwick nel Regno Unito, si basa in gran parte su osservazioni effettuate con il satellite Gaia dell'Agenzia spaziale europea.

Quasi tutte le stelle finiscono per diventare nane bianche e alcune di esse sono tra le stelle più antiche dell'universo. Sono utili agli astronomi perché la loro velocità di raffreddamento prevedibile consente loro di essere utilizzati come orologi cosmici per stimare l'età di gruppi di stelle. Sono i nuclei rimanenti delle stelle giganti rosse, dopo che queste enormi stelle sono morte e hanno perso i loro strati esterni. Quindi si raffreddano costantemente mentre rilasciano il calore accumulato per miliardi di anni.

Il satellite Gaia ha permesso la selezione di un campione di nane bianche con luminosità e colori precisi che è significativamente più grande e più completo di qualsiasi precedente indagine. Per lo studio, il team ha selezionato 15.000 nane bianche entro circa 300 anni luce dalla Terra.

Le nane bianche diventano più deboli e rosse mentre si raffreddano, il che porta a una distribuzione prevedibile delle nane bianche in un grafico di luminosità rispetto al colore. Gli astronomi hanno identificato un accumulo in questa trama, un eccesso nel numero di stelle a colori e luminosità specifici. Se confrontato con i modelli evolutivi delle nane bianche, l'accumulo coincide fortemente con la fase del loro sviluppo in cui si prevede che il calore latente venga rilasciato in grandi quantità, con conseguente rallentamento del loro processo di raffreddamento. Si stima che in alcuni casi queste stelle abbiano rallentato il loro invecchiamento fino a 2 miliardi di anni.

Bart Dunlap, un borsista post-dottorato presso il Wootton Center for Astrophysical Plasma Properties di UT Austin, in collaborazione con JJ Hermes, ha fatto la scoperta indipendentemente dal team di Warwick e in seguito ha unito le forze con Tremblay. Hermes, un ex studente laureato in UT, è ora assistente professore alla Boston University.

“Più di 50 anni fa, Hugh Van Horn, un astronomo dell'Università di Rochester, predisse che avremmo dovuto vedere una sequenza di cristallizzazione a causa di un rallentamento del raffreddamento quando si cristallizzano le nane bianche, ma all'epoca i dati non erano abbastanza buoni per verificare questa previsione", ha detto Dunlap. "Gaia ha finalmente reso possibile vedere ciò che aveva previsto, e questo emerge davvero dai dati".

Proprio come l'acqua liquida rilascia energia extra quando si trasforma in ghiaccio - questa energia è nota come calore latente - si prevedeva che i plasmi densi all'interno delle nane bianche rilasciassero energia sufficiente per rallentare notevolmente il loro viaggio verso le braci stellari fredde e deboli.

"Tutte le nane bianche si cristallizzeranno ad un certo punto della loro evoluzione, sebbene le nane bianche più massicce attraversino il processo prima", ha detto Tremblay, che ha guidato lo studio. "Ciò significa che miliardi di nane bianche nella nostra galassia hanno già completato il processo e sono essenzialmente sfere di cristallo metalliche nel cielo".

Ciò include il nostro sole, che diventerà una nana bianca cristallina in circa 10 miliardi di anni.

La cristallizzazione è il processo di un materiale che diventa uno stato solido in cui i suoi atomi formano una struttura ordinata. Sotto le pressioni estreme nei nuclei delle nane bianche, gli atomi sono impacchettati così densamente che i loro elettroni si liberano, lasciando un gas di elettroni conduttore governato dalla fisica quantistica e nuclei carichi positivamente in forma fluida. Quando il nucleo si raffredda a circa 10 milioni di gradi, il plasma denso di ossigeno e carbonio è abbastanza freddo da consentire al fluido di solidificarsi, formando un nucleo cristallino nel suo cuore.

"Questi risultati ci dicono davvero molto sulla quantità di energia repressa che queste stelle possono rilasciare durante il raffreddamento", ha detto Dunlap.

Gli astronomi affermano che dovrebbero avere accesso a dati ancora migliori da Gaia entro il 2021.


Una stella nana bianca organizza una festa a sorpresa

Supernovae le esplosioni annunciano l'agonia della "morte" delle stelle dopo che hanno consumato la loro necessaria scorta di combustibile per la fusione nucleare e sono andate infuriando in quella buona notte. Frequentemente, il supernova il progenitore è una stella massiccia che contiene un nucleo di ferro-nichel estremamente pesante che pesa 1,4 volte la massa del nostro Sole. Tuttavia, le stelle più piccole, come il nostro Sole, non periscono nella terribile bellezza e furia di a supernova esplodono come i loro fratelli stellari più massicci - almeno, non quando sono solitarie, piccole stelle solitarie come le nostre. Ahimè, quando una piccola stella simile al Sole "vive" in a sistema binario con un'altra stella ancora "vivente", sta per succedere una festa sfrenata. Nel dicembre 2018, gli astrofisici utilizzano la NASA Osservatorio a raggi X Chandra, ha annunciato di aver rilevato un'esplosione di raggi X luminosi da una stella che abitava il Piccola nuvola di Magellano (SMC). Il SMC è una piccola galassia satellite vicina della nostra Via Lattea e si trova a quasi 200.000 anni luce dalla Terra. Una combinazione di raggi X e dati ottici suggerisce che la fonte di questa esplosione di radiazioni è un stella nana bianca potrebbe essere la crescita più rapida Nana bianca mai osservato. Questo nuovo studio della Nana bianca di nome ASASSN-16oh fornisce una preziosa spiegazione per quelli che vengono chiamati raggi X supersoft che sono stati rilevati emanare da questa intrigante stella "morta". La scoperta è stata fatta dal Indagine automatizzata all-sky per supernovae (ASASSIN).

A differenza del nostro Sole, la maggior parte delle stelle non "vive" in isolamento. La maggior parte delle stelle della nostra Galassia sono membri di più sistemi stellari, come ad esempio sistemi binari, che contengono un duo stellare strettamente danzante. Se le due stelle sono sufficientemente vicine l'una all'altra e una delle stelle è densa Nana bianca, la sua potente gravità può sorseggiare il materiale dalla sua stella compagna ancora "vivente" e vittima.

nane bianche sono densi fantasmi stellari che hanno circa le stesse dimensioni della Terra, ma contengono una massa uguale a quella del nostro Sole, compressa in un piccolo volume. Pertanto, la gravità sulla superficie di queste stelle "morte" è abbastanza forte da aspirare materia da una stella compagna sfortunata e ancora "viva".

In circa 5 miliardi di anni il nostro Sole esaurirà la sua necessaria fornitura di combustibile per la fusione nucleare e, a seguito del suo rigonfiamento gigante rosso stadio: avvizzirà e si restringerà, evolvendosi in un considerevolmente più piccolo, più fioco stella nana bianca. Il nostro futuro Sole, in questa fase, sarà solo all'incirca delle stesse dimensioni della Terra, e poiché la sua materia è stata stipata in un volume così piccolo, la sua gravità superficiale sarà diverse centinaia di migliaia di volte più potente di quella della Terra. Tuttavia, il nostro Sole non diventerà mai una supernova perché non ha una stella compagna. Il nostro Sole è destinato a perire con grande bellezza e relativa pace. Nel suo Nana bianca palcoscenico, la nostra stella sarà circondata da un bellissimo sudario multicolore di gas luccicanti e scintillanti che un tempo erano i suoi strati esterni. Tali sudari stellari sono spesso indicati come le "farfalle dell'Universo" dagli astronomi come omaggio alla loro grande bellezza.

Il nuovo studio si basa su osservazioni condotte da astronomi utilizzando entrambi Chandra e il Osservatorio Swift di Neil Gehrels. Lo studio riporta la scoperta della caratteristica emissione di raggi X emanata da ASASSN-16oh, che in realtà è un sistema binario, composto da un duo di stelle nane bianche. L'importante scoperta riguarda il rilevamento di morbido (bassa energia) raggi X, creati dal gas a temperature di diverse centinaia di migliaia di gradi. In drammatico contrasto, i raggi X ad energia più elevata rivelano fenomeni a temperature di decine di milioni di gradi. Tuttavia, l'emissione di raggi X da ASASSN-16oh è considerevolmente più luminoso del semplice raggi X molli prodotte dalle atmosfere delle stelle normali. Questo posto ASASSN-16oh nella categoria speciale di a sorgente di raggi X supersoft.

Stelle nane bianche

Mentre una piccola stella anziana e condannata, simile al Sole, si avvicina al gran finale della sua fase di combustione nucleare, si libera del suo materiale esterno, che diventa il suo ambiente e bellissimo nebulosa planetaria. Resta solo il nucleo della stella "morta" per raccontare la triste storia della sua precedente esistenza scintillante. Il nucleo diventa rovente Nana bianca, con una temperatura di tostatura superiore a 100.000 Kelvin. Se la stella è solitaria, come il nostro Sole, e non sta accumulando materiale da un vicino fratello stellare binario vittima, il Nana bianca continuerà a raffreddarsi nei prossimi miliardi di anni, o giù di lì. Una moltitudine di vicini, giovani nane bianche sono stati individuati come fonti di morbido, raggi X a bassa energia. Recentemente, entrambi raggi X molli e osservazioni nell'ultravioletto estremo sono state utilizzate dagli astronomi nella loro ricerca per comprendere la composizione e la struttura della sottile atmosfera posseduta da questi fantasmi stellari.

Un tipico stella nana bianca è circa 200.000 volte più denso della Terra. Questo fa nane bianche la seconda collezione di materia più densa, superata solo da stelle di neutroni. Stelle di neutroni sono le reliquie delle dimensioni di una città lasciate da stelle più massicce del nostro Sole. Un cucchiaino pieno di denso stella di neutroni roba pesa quanto un grande branco di leoni.

Stelle nane bianche non può creare una pressione interna derivata dal rilascio di energia dalla fusione nucleare. Questo perché la fusione è cessata ed è necessaria una pressione interna per mantenere la stella ancora "viva" contro l'attrazione spietata della sua stessa implacabile gravità. Tutti le stelle, indipendentemente dalla loro massa, devono mantenere un prezioso equilibrio tra le due forze in lotta di pressione di radiazione e gravità. Gravità vince alla fine, quando cessa la fusione, e compatta la materia della stella condannata verso l'interno finché anche gli elettroni che compongono un nane bianche gli atomi sono schiacciati insieme. In circostanze normali, elettroni identici (cioè quelli con lo stesso "spin") non possono occupare lo stesso livello di energia. Poiché ci sono solo due modi in cui un elettrone può ruotare, solo due elettroni possono occupare un singolo livello di energia. Il termine per questo, usato dai fisici, è il Principio di esclusione di Pauli. Nel caso di un gas normale, questo non è un problema. Questo perché non ci sono abbastanza elettroni che danzano per riempire completamente tutti i livelli di energia. Tuttavia, nel caso di a stella nana bianca, la densità è molto più alta e tutti gli elettroni vengono frantumati molto più vicini tra loro. Questo è chiamato a gas degenerato. Ciò significa fondamentalmente che gli atomi sono pieni di elettroni. Affinché la gravità comprima il stella nana bianca inoltre, deve costringere gli elettroni ad andare dove non possono andare. Una volta che una stella è degenerare la gravità non è in grado di comprimerlo ulteriormente. Questo è perché meccanica quantistica afferma che non c'è più spazio disponibile da occupare. quindi, il stella nana bianca riesce a sopravvivere. Questa minuscola e densa reliquia stellare non sopravvive a causa della fusione interna, ma per meccanica quantistica principi che ne impediscono il completo collasso. Meccanica quantistica è lo studio matematico della meccanica delle particelle subatomiche.

Materia degenerata mostra alcune proprietà molto strane. Ad esempio, il più massiccio a stella nana bianca, più è piccolo. Questo perché più massa a Nana bianca possiede, tanto più i suoi elettroni devono essere schiacciati insieme per mantenere una pressione verso l'esterno sufficiente a sostenere la massa extra. Tuttavia, c'è un limite alla quantità di massa a stella nana bianca possono avere. Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995) scoprì che questo limite era di 1,4 volte la massa solare. Questo è giustamente chiamato il Limite di Chandrasekhar. Chandrasekhar era un astrofisico indiano-americano che ha trascorso la sua vita professionale negli Stati Uniti. Ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 1983, insieme al fisico nucleare americano William Fowler (1911-1995) per "studi teorici sui processi fisici delle stelle". Il Osservatorio a raggi X Chandra è stato anche chiamato dopo Chandrasekhar.

Con una gravità superficiale di 100.000 volte quella della Terra, a stella nana bianca white l'atmosfera è strana. Questo perché gli atomi più pesanti nella sua strana atmosfera affondano, mentre quelli più leggeri rimangono in superficie. Alcuni nane bianche è stato scoperto che possiedono atmosfere di idrogeno o elio quasi puro: l'idrogeno è l'elemento atomico più leggero e l'elio il secondo più leggero. Inoltre, la forza implacabile del nane bianche la potente gravità attira l'atmosfera intorno a sé per formare uno strato molto sottile. Se questo stesso fenomeno piuttosto bizzarro si verificasse sulla Terra, la parte superiore dell'atmosfera sarebbe al di sotto delle cime dei grattacieli di New York City.

Gli scienziati propongono che ci sia una crosta spessa circa 50 chilometri sotto la strana atmosfera di molti stelle nane bianche. Al fondo di questa crosta ancora ipotetica ci sarebbe un reticolo cristallino composto da atomi di carbonio e ossigeno. Poiché un diamante è carbonio cristallizzato, si potrebbe fare il confronto tra un freddo carbonio/ossigeno Nana bianca e un diamante molto grande.

Una festa a sorpresa stellare

Per molti anni, gli astronomi hanno proposto che raggi X supersoft emissione da stelle nane bianche è prodotto come un prodotto di fusione nucleare all'interno dello strato rovente ed estremamente denso composto da nuclei di idrogeno ed elio. Questo materiale molto volatile si accumula a causa della caduta di materia, originata da una sfortunata stella compagna, che fa capriole sulla superficie del vampiro. Nana bianca. Questo innesca un'esplosione di fusione nucleare simile a quella di una bomba all'idrogeno.

Tuttavia, ASSASSINO osservazioni hanno rivelato che c'è di più. Il raggi X supersoft stellare sistema binario è stato inizialmente scoperto da questo rilevamento automatizzato, che è una raccolta di circa 20 telescopi ottici sparsi in tutto il mondo che rilevano automaticamente l'intero cielo ogni notte alla ricerca di esplosioni di supernova e altri eventi transitori. Gli astronomi poi usavano Chandra e Swift per individuare il raggi X supersoft emissione.

"In passato, il supersoft fonti sono state tutte associate alla fusione nucleare sulla superficie di nane bianche", ha commentato l'autore principale dello studio, il dott. Tom Maccarone in un 4 dicembre 2018 Comunicato stampa di Chandra-Harvard. Il Dr. Maccarone è un professore del Texas Tech Department of Physics & Astronomy che ha guidato il nuovo articolo pubblicato nel numero del 3 dicembre 2018 della rivista Astronomia della natura.

Se, infatti, la fusione nucleare è la causa del raggi X supersoft a partire dal ASASSN-16oh poi dovrebbe essere stato innescato da un'esplosione e l'emissione dovrebbe provenire da tutta la strana superficie del stella nana bianca. However, the optical light does not increase rapidly enough to be the result of an explosion and the Chandra data reveal that the emission is originating from a region smaller than the entire surface of this bewitching and bewildering white dwarf star. In addition, the source is a hundred times fainter in optical light than that of white dwarfs known to be experiencing nuclear fusion on their surface. These observations, plus the lack of evidence for gas swirling away from the white dwarf, provide strong arguments against fusion having occurred.

Therefore, none of the signs of nuclear fusion are present. For this reason, the authors of the paper present an alternative scenario. As with the fusion explanation the white dwarf is gravitationally pulling matter away from an unlucky companion star, in this case a red giant. During this process, termed accretion, the gas is gravitationally pulled onto a large disk encircling the white dwarf--and it becomes hotter, and hotter, and hotter, as it spirals toward the dense white dwarf. The gas then tumbles onto the "dead" star. This produces X-rays along a belt where the disk touches the star. The rate of inflow of matter through the disk varies by a large amount. When the material begins to flow more rapidly, the X-ray brightness of the system grows much higher.

"The transfer of mass is happening at a higher rate than in any system we've caught in the past," added Dr. Maccarone in the December 4, 2018 Chandra-Harvard Press Release.

If the white dwarf keeps stealing mass from its victimized companion red giant star it will pay for its crime. This is because it will reach a mass limit and "go critical"-- blowing itself up in a Type Ia supernova blast. UN Type Ia supernova is an event that was used to discover that the expansion of the Universe is accelerating. The team of astronomers' analysis indicates that the white dwarf is already unusually massive. For this reason, the scientists think that ASASSN-16oh may be relatively close to going supernova.

"Our result contradicts a decades-long consensus about how supersoft X-ray emission from white dwarfs is produced. We now know that the X-ray emission can be made in two different ways: by nuclear fusion or by the accretion of matter from a companion," study co-author Dr. Thomas Nelson (University of Pittsburgh, Pennsylvania) commented in the December 4, 2018 Chandra-Harvard Press Release.

Judith E. Braffman-Miller is a writer and astronomer whose articles have been written since 1981 in various magazines, newspapers, and journals. Although she has written on a variety of topics, she particularly loves writing about astronomy because it gives her the opportunity to communicate to others some of the many wonders of her field. Her first book, "Wisps, Ashes, and Smoke," will be published soon.


Thousands of Stars Observed Turning into Crystals for the First Time

The first direct evidence of crystallized white dwarf stars has been discovered by an international team of researchers that includes two former astronomers from the University of North Carolina at Chapel Hill. Predicted half a century ago, the discovery of these stars will be published in the January 10th edition of the journal Natura.

Observations have revealed that these stars have a core of solid carbon and oxygen due to a phase transition during their lifecycle, similar to water turning into ice. This phase transition slows their cooling in multiple ways, making them potentially billions of years older than previously thought.

The discovery, led by Pier-Emmanuel Tremblay of the U.K.’s University of Warwick, is largely based on observations taken with the European Space Agency’s Gaia satellite.

Almost all stars end up as white dwarfs, and some of them are among the oldest stars in the universe. They are useful to astronomers because their predictable cooling rate allows them to be used as cosmic clocks to estimate the ages of groups of stars. They are the leftover cores of red giant stars, after these huge stars have died and shed their outer layers. They are then constantly cooling as they release their stored-up heat over billions of years.

The Gaia satellite has enabled the selection of a sample of white dwarfs with precise luminosities and colors that is significantly larger and more complete than any previous survey. For the study, the team selected 15,000 white dwarfs within about 300 light-years of Earth.

White dwarfs get fainter and redder as they cool, which leads to a predictable distribution of white dwarfs in a plot of brightness versus color. The astronomers identified a pile-up in this plot, an excess in the number of stars at specific colors and luminosities. When compared with evolutionary models of white dwarfs, the pile-up strongly coincides with the phase in their development in which latent heat is predicted to be released in large amounts, resulting in a slowdown of their cooling process. It is estimated that in some cases these stars have slowed their aging by as much as 2 billion years.

Bart Dunlap, a postdoctoral fellow with UT Austin’s Wootton Center for Astrophysical Plasma Properties, along with JJ Hermes, made the discovery independently of the Warwick team while working together at UNC Chapel Hill and later joined forces with Tremblay. Hermes is now an assistant professor at Boston University.

“More than 50 years ago, Hugh Van Horn, an astronomer at the University of Rochester, predicted that we should see a crystallization sequence because of a slowdown in cooling when white dwarfs crystallize, but at the time, the data weren’t good enough to check this prediction,” Dunlap said. “Gaia finally made it possible to see what he predicted, and it really pops out in the data.”

Just as liquid water releases extra energy when it changes into ice — this energy is known as latent heat — the dense plasmas in the interiors of white dwarfs were predicted to release enough energy to noticeably slow their trek toward cool, faint stellar embers.

“All white dwarfs will crystallize at some point in their evolution, although more massive white dwarfs go through the process sooner,” said Tremblay, who led the study. “This means that billions of white dwarfs in our galaxy have already completed the process and are essentially metallic crystal spheres in the sky.”

This includes our own sun, which will become a crystal white dwarf in about 10 billion years.

Crystallization is the process of a material becoming a solid state in which its atoms form an ordered structure. Under the extreme pressures in white dwarf cores, atoms are packed so densely that their electrons become unbound, leaving a conducting electron gas governed by quantum physics, and positively charged nuclei in a fluid form. When the core cools to about 10 million degrees, the dense carbon oxygen plasma is cool enough that the fluid begins to solidify, forming a crystalline core at its heart.

“These results are really telling us a lot about the amount of pent up energy these stars can release while cooling off,” said Dr. Dunlap. “If you put a glass of water in the freezer, it will start losing heat to its cold surroundings, so its temperature will steadily drop. But this cooling actually stops once the water starts to freeze. While the liquid is turning into ice crystals, it releases extra energy, so its temperature hangs out around the freezing point until it’s turned into ice. Then it starts getting colder again. The white dwarfs do essentially the same thing, just at more extreme temperatures and densities.”

Not all transitions from a liquid to a solid result in crystals. Sometimes, the resulting solid is made up of an amorphous jumble of molecules or atoms, and these transitions do not release latent heat. When molten glass cools off, for example, its molecules freeze into place without becoming a structured crystal, so no extra heat is released. The new observations confirm that white dwarfs release extra heat at the temperatures where they are predicted to do so from crystallizing carbon and oxygen. However, the observations indicate that there is even more extra energy being released than can be explained by this latent heat.

“There are lots of ways energy can be released. When a rock falls and hits your toe, or when water at a hydroelectric plant falls over a dam, both of these are releasing gravitational energy,” explains Dr. Dunlap. “Models show that when a white dwarf is crystallizing, it starts in the center, and the solid mixture ends up more oxygen-rich than the liquid mixture. Basically, some of the oxygen sinks. Since oxygen is more massive than carbon, this releases gravitational energy. Including this effect in the models matches the data much better. But the data also suggest there’s even more energy being released, so there’s still work to do.”

Many models widely used to determine the ages of white dwarf stars do not include this effect of gravitational settling, so researchers will have to revise current estimates.

The inclusion of the UNC researchers in the work led by Dr. Tremblay is a testament to international cooperation in science. Dunlap and Hermes came to the same independent interpretation of the crystallization sequence from Gaia data while working together at UNC Chapel Hill and presented the findings at a biannual conference on white dwarf stars last summer at UT Austin. Instead of racing to compete, the teams joined forces in order to add different expertise and perspectives to the analysis.

“This is the clearest confirmation that white dwarf stars form crystal cores of oxygen and carbon, but our models still have a lot of room to improve to match the observations,” said Dr. Hermes. “No lab on Earth can recreate the conditions at the centers of these stars. The best way to advance our knowledge of these extreme conditions is to keep looking up at the stars with exquisite space telescopes like Gaia.”

Fortunately, the revolutionary Gaia survey mission continues to collect data and improve its measurement precision, constructing a three-dimensional map of more than 1.3 billion stars. A third data release from Gaia is expected in 2021.

A white dwarf star is in the process of solidifying in this artist’s rendering. Scientists have found the first direct evidence that white dwarf stars crystallize as they cool.


Group photograph
List of participants
Prefazione
Part I. Reviews:
1. Equations of state in stellar structure and evolution H. M. Van Horn
2. Equation of state of stellar plasmas F. J. Rogers
3. Statistical mechanics of quantum plasmas. Path integral formalism A. Alastwey
4. Onsager-molecule approach to screening potentials in strongly coupled plasma Y. Rosenfeld
5. Astrophysical consequences of the screening of nuclear reactions J. Isern and M. Hernanz
6. Crystallization of dense binary ionic mixtures. Application to white dwarf cooling theory R. Mochovitch and L. Segretain
7. Non crystallized regions of White dwarfs. Thermodynamics. Opacity. Turbulent convection I. Mazzitelli
8. White dwarf crystallization E. García-Berro and M. Hernanz
9. Gravitational collapse versus thermonuclear explosion of degenerate stellar cores J. Isern and R. Canal
10. Neutron star crusts with magnetic fields D. G. Yakovlev and A. D. Kaminker
11. High pressure experiments for astrophysics P. Loubeyre
12. Equation of state of dense hydrogen and the plasma phase transition F. Perrot and C. Dharma-wardana
13. The equation of state of fluid hydrogen at high density G. Chabrier
14. A comparative study of hydrogen equations of state D. Saumon
15. Strongly coupled ionic mixtures and the H/He equation of state H. M. DeWitt
16. White dwarf seismology: Influence of the constitutive physics on the period spectra G. Fontaine and P. Brassard
17. Helioseismology: the Sun as a strongly-constrained, weakly-coupled plasma W. Däppen
18. Transport processes in dense stellar plasmas N. Itoh
19. Cataclysmic variables: structure and evolution J.-M. Hameury
20. Giant planet, brown dwarf, and low-mass star interiors W. B. Hubbard
21. Searches for brown dwarfs J. Liebert
22. Jovian seismology B. Mosser
Part II. Observational Projects:
23. EVRIS: first space experiment devoted to stellar seismology A. Baglin
24. The HIPPARCOS mission and tests for the equation of state A. Baglin and Joao Fernandes
25. Ground based helioseismology: IRIS and GONG F.-X. Schmider
26. The statial GOLF project S. Turck-Chiéze
27. The DENIS survey T. Forveille
28. PRISMA: a mission to study interior and surface of stars P. Lemaire
Part III. Posters:
29. Towards a helioseismic calibration of the equation of state in the solar convective envelope S. V. Vorontsov, V. A. Baturin, D. O. Gough and W. Däppen
30. Thermal cyclotron and annihilation radiation in strong magnetic fields V. G. Bezchastnov and A. D. Kaminker
31. Modified adiabatic approximation for a hydrogen atom moving in a magnetic field V. G. Bezchastnov and A. Y. Potekhin
32. Computations of static white dwarf models P. Brassard and G. Fontaine
33. The Chandrasekhar mass of a gravitating electron crystal D. Engelhardt and I. Bues
34. Coulomb corrections in the nuclear statistical equilibrium regime D. García and E. Bravo
35. Molecular opacities T. Guillot, D. Gautier and G. Chabrier
36. On radiative transfer near the plasma frequency at strong coupling Yu. K. Kurilenkov and H. M. Van Horn
37. Effects of superfluidity on spheroidal oscillations of neutron stars Umin Lee, T. J. B. Collins, R. I. Epstein and H. M. Van Horn
38. Magnetic field decay in the non-superfluid regions of neutron star cores A. G. Muslimov and H. M. Van Horn
39. On the equation of state in Jovian seismology J. Provost, B. Mosser and G. Chabrier
40. Analysis of the screening formalisms in solar and stellar conditions H. Dzitko, S. Turck-Chiéze, P. Delbourgo-Salvador and Ch. Lagrange
41. Theoretical description of the Coulomb interaction by Padé–Jacobi approximants W. Stolzmann and T. Blöcker
42. New model sequences from the white dwarf evolution code M. Wood
43. Low temperature opacities C. Neuforge.

Gilles Chabrier, Ecole Normale Supérieure, Lyon

Evry Schatzman, Observatoire de Paris, Meudon


Contenuti

In the 1960s, it was predicted that as a white dwarf cools, its material should crystallize, starting at the center. [7] When a star pulsates, observing its pulsations gives information about its structure. BPM 37093 was first observed to be a pulsating variable in 1992, [8] and in 1995 it was pointed out that this yielded a potential test of the crystallization theory. [9] In 2004, Antonio Kanaan and a team of researchers of the Whole Earth Telescope estimated, on the basis of these asteroseismological observations, that approximately 90% of the mass of BPM 37093 had crystallized. [4] [7] [10] [11] Other work gives a crystallized mass fraction of between 32% and 82%. [5] Any of these estimates would result in a total crystalline mass in excess of 5 × 10 29 kilograms. As the white dwarf has a radius of 4,000-kilometre (2,500 mi), this means that the core of BPM 37093, nicknamed Lucy, is likely one of the largest diamonds in the local region of the universe. [12] [13]

Crystallization of the material of a white dwarf of this type is thought to result in a body-centered cubic lattice of carbon and/or oxygen nuclei, which are surrounded by a Fermi sea of electrons. [14]


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