Przejdź do treści

Jak powstają silne pola magnetyczne w białych karłach?

Na ilustracji: pochodzenie pól magnetycznych w białych karłach w ciasnych układach podwójnych (kolejność odwrotna do ruchu wskazówek zegara). Pole magnetyczne pojawia się, gdy krystalizujący się biały karzeł akreuje materię z towarzysza - co powoduje jego szybką rotację. Gdy pole magnetyczne białego karła połączy się z polem gwiezdnego towarzysza, transfer masy ustaje w dość krótkim czasie. Źródło: Paula Zorzi

W publikacji pt. „Pochodzenie i ewolucja pól magnetycznych białych karłów w ciasnych układach podwójnych” w prestiżowym „Nature” astronomowie zaproponowali mechanizm, który może wyjaśnić zagadkę nierozwiązaną od dawna  w jaki sposób białe karły generują silne pola magnetyczne. Autorzy zaproponowali mechanizm dynama  ten sam, który również jest odpowiedzialny za wytwarzanie pola magnetycznego Ziemi. Z tych badań wynika, że niekiedy ten sam mechanizm działa w całkiem różnych obiektach astronomicznych.

Jednym z najbardziej efektownych zjawisk w astrofizyce są pola magnetyczne. Otaczają one zarówno Ziemię, gwiazdy, jak i pozostałości po nich, takie jak np. białe karły. Wiadomo, że pola magnetyczne białych karłów mogą być nawet milion razy silniejsze niż pole magnetyczne Ziemi. Jednak ich pochodzenie pochodzenie pozostawało tajemnicą od lat 70-tych XX wieku, gdy odkryto pierwszego białego karła z polem magnetycznym. Zaproponowano kilka teorii, jednak żadna z nich nie była w stanie wyjaśnić częstości występowania białych karłów z polami magnetycznymi, zarówno jako samotnych gwiazd, jak i jako towarzyszy w różnych układach podwójnych.

 

Pytanie (2005 r.): gdzie są białe karły z silnymi polami magnetycznymi w rozdzielonych gwiazdowych układach podwójnych z niezdegenerowanym towarzyszem?

 

Zgodnie z aktualną wiedzą większość gwiazdowych układów podwójnych zawierających przynajmniej jednego białego karła powstała po wymianie masy we wspólnej otoczce. Z tej fazy ewolucyjnej układ podwójny wychodzi rozdzielony (patrz rysunek poniżej), o stopniowo skracającym się okresie orbitalnym i w końcu staje się półrozdzielonym układem kataklizmicznym. Pomimo ewolucyjnych powiązań, procent białych karłów z silnymi polami magnetycznymi drastycznie różni się pomiędzy takimi układami podwójnymi zawierającymi białe karły, które są rozdzielone i półrozdzielone.

Obecnie znamy ponad 160 układów kataklizmicznych z białymi karłami z silnymi polami magnetycznymi o indukcji magnetycznej większej od miliona Gausów (W układzie jednostek SI > 100 Tesli). W większości tych układów biały karzeł akreuje wzdłuż linii pola magnetycznego materię, która wypływa z mniej masywnego towarzysza wypełniającego swoją powierzchnię Roche’a. Oddziaływanie pól magnetycznych obu gwiazd sprawia, że rotacja białego karła jest zsynchronizowana z ruchem orbitalnym składnika wtórnego. Takie układy kataklizmiczne są nazywane polarami (ang. polars).

W mniejszej i istotnej liczbie układów kataklizmicznych, pole magnetyczne białego karła zaburza wewnętrzną część dysku akrecyjnego, ale pola magnetyczne obu gwiazd nie są połączone. Dlatego rotacja białego karła nie jest zsynchronizowana z ruchem orbitalnym wtórnego składnika, a takie układy kataklizmiczne nazywane są polarami pośrednimi (ang. intermediate polars).

Ostatnie analizy statystyczne pokazują, że w około 1/3 wszystkich układów kataklizmicznych obserwuje się białego karła z polem magnetycznym, z czego polary stanowią 29% całej populacji układów kataklizmicznych, a polary pośrednie – 7%.

Zupełnie inna jest sytuacja w rozdzielonych gwiazdowych układach podwójnych, które uważa się za progenitorów układów kataklizmicznych. Aktualnie wiemy zaledwie o 15 białych karłach z silnymi polami magnetycznymi (~2% !!!) na ogólną liczbę ponad tysiąca znanych rozdzielonych układów podwójnych. W każdym z tych 15 układów podwójnych z białymi karłami obserwuje się osobliwe widmowe emisyjne linie, które świadczą o akrecji materii z wiatru gwiazdowego na białego karła z silnym polem magnetycznym.

Wymienione 15 układów z białymi karłami o silnych polach magnetycznych określa się pojęciem pre-polarów, czyli układów podwójnych, w których ciągła utrata momentu pędu (= skracanie się okresu orbitalnego) doprowadzi w końcu rozdzielone układy podwójne do układów katalizmicznych, które są półrozdzielone.

Pre-polary mają okresy orbitalne pomiędzy 3 i 5 godzinami, a ich składniki wtórne (...te większe!) są bliskie wypełnienia swoich powierzchni Roche'a (patrz ilustracja poniżej) – na ogół powyżej 80%. W ciasnych układach podwójnych typu „pre-polar” białe karły są chłodne z efektywnymi temperaturami poniżej 10 tysięcy K, co wskazuje na to, że powstały one przynajmniej miliard lat temu. W rozdzielonych układach podwójnych z „młodymi” białymi karłami (wiek < 1 miliard lat) nie znaleziono ani jednego białego karła z silnym polem magnetycznym.

 

Schematyczny widok układu podwójnego widocznego „z boku” (nachylenie płaszczyzny orbity 90°) ze składnikami gwiazdowymi o stosunku mas = 3, które są rozdzielone (po lewej), półrozdzielone (w środku) i kontaktowe (po prawej). Czarne linie reprezentują graniczne powierzchnie równego potencjału Roche’a (tutaj dominuje pole grawitacyjne tylko jednej gwiazdy). Faktyczne rozmiary gwiazd są zakreślone na niebiesko i niekoniecznie mają kształt kulisty. Źródło: Wikipedia (wersja angielskojęzyczna) – gwiazdy podwójneSchematyczny widok układu podwójnego widocznego „z boku” (nachylenie płaszczyzny orbity 90°) ze składnikami gwiazdowymi o stosunku mas = 3, które są rozdzielone (po lewej), półrozdzielone (w środku) i kontaktowe (po prawej). Czarne linie reprezentują graniczne powierzchnie równego potencjału Roche’a (tutaj dominuje pole grawitacyjne tylko jednej gwiazdy). Faktyczne rozmiary gwiazd są zakreślone na niebiesko i niekoniecznie mają kształt kulisty. Źródło: Wikipedia (wersja angielskojęzyczna) – gwiazdy podwójne.


Okazało się więc, że duża część (~36%) układów katalizmicznych zawiera białe karły z silnymi polami magnetycznymi, a znacznie mniejsza (tylko ~2%) – w rozdzielonych układach podwójnych z białymi karłami, które uważa się za progenitory układów kataklizmicznych. Ta zagadkowa sytuacja została celnie wyrażona w 2005 roku przez amerykańskiego astrofizyka James'a Lieberta'a ze współpracownikami, który zapytał:
a gdzie są białe karły z silnymi polami magnetycznymi w rozdzielonych gwiazdowych układach podwójnych z niezdegenerowanym towarzyszem?

Aby odpowiedzieć na ww. pytanie zaproponowano kilka hipotez, takich jak np. scenariusz „skamieniałego” pola (ang. fossil field scenario), mechanizm dynamo działający podczas wymiany masy we wspólnej otoczce, koalescencja białych karów. Wszystkie te scenariusze mają podstawowy problem polegający na tym, że pola silne magnetyczne powstają podczas formowania się białych karłów. Więc również białe karły w rozdzielonych układach podwójnych tuż po wymianie masy we wspólnej otoczce powinny mieć silne pola magnetyczne, a to nie zgadza się ze statystyką obserwacji (ZERO % białych karłów z silnymi polami magnetycznymi w wieku < 1 miliarda lat w rozdzielonych układach podwójnych). 

Ten problem może zostać rozwiązany dzięki badaniom międzynarodowej grupy astrofizyków, którzy zaproponowali mechanizm dynamo do generowania silnych pól magnetycznych w białych karłach – podobny do mechanizmu generującego pola magnetyczne Ziemi i innych planet.

 


Odpowiedź (2021 r.): nie ma białych karłów z silnymi polami magnetycznymi, ponieważ są „za młode” w rozdzielonych gwiazdowych układach podwójnych.

 

Współautor omawianej publikacji, prof. Boris Gänsicke (University of Warwick, UK) powiedział: Od dawna wiedzieliśmy, że czegoś nie uwzględniamy w naszym rozumieniu pól magnetycznych białych karłów, ponieważ dane statystyczne uzyskane z obserwacji po prostu nie mają sensu. Niektórzy z was mieli do czynienia z dynamo w rowerach: obracający się magnes generuje prąd elektryczny. Tutaj działanie jest odwrotne  ruch materii wytwarza prąd elektryczny, który z kolei generuje pole magnetyczne.

Zgodnie z zaproponowanym mechanizmem dynamo, pole magnetyczne jest generowane przez prądy elektryczne wytwarzane przez ruchy konwekcyjne w jądrze białego karła. Te prądy konwekcyjne są wywoływane przez ucieczkę ciepła z krystalizującego się jądra.

Głównym komponentem dynamo jest stałe jądro otoczone przez płaszcz konwekcyjny. W przypadku Ziemi stałe żelazne jądro jest otoczone przez konwekcyjne, ciekłe żelazo. Podobna sytuacja ma miejsce w białych karłach, gdy wystarczająco ochłodzą się – wyjaśnia Matthias Schreiber.

Astrofizycy wyjaśniają, że na początku, gdy gwiazda odrzuciła swoją otoczkę, biały karzeł jest bardzo gorący i składa się z ciekłego węgla i tlenu. Jednak gdy biały karzeł wystarczająco ostygnie, rozpoczyna się krystalizacja w środku i struktura staje się podobna do tej we wnętrzu Ziemi – stałe jądro otoczone konwekcyjną ciecz.
Z tego względu, że prędkości w cieczy mogą być znacznie większe wewnątrz białego karła niż we wnętrzu Ziemi, potencjalnie generowane pola są znacznie silniejsze. Ten mechanizm dynamo może wyjaśnić częstość występowania białych karłów o silnych polach magnetycznych w różnych sytuacjach i szczególnie białych karłów w układach podwójnych – powiedział Matthias Schreiber.

 

Krystalizujący się biały karzeł akreuje materię z wiatru gwiazdowego generowanego przez towarzysza w ciasnym układzie podwójnym. Źródło: Paula ZorziKrystalizujący się biały karzeł akreuje materię z wiatru gwiazdowego generowanego przez towarzysza w ciasnym układzie podwójnym. Źródło: Paula Zorzi

 

W ten sposób naukowcy mogą rozwiązać problem, który jest nierozwiązany od dziesięcioleci.
Piękno naszego pomysłu polega na tym, że mechanizm generowania pól magnetycznych jest taki sam jak dla planet. Nasze badania wyjaśniają, jak magnetyczne pola są generowane przez białe karły i dlaczego są one znacznie silniejsze od pola magnetycznego Ziemi. Uważam, że to jest dobry przykład, w jaki sposób interdyscyplinarny zespół potrafi rozwiązać problemy, które specjalista tylko z jednej dziedziny miałby problemy – dodaje Matthias Schreiber.

Kolejny krokiem badawczym – jak mówią astrofizycy –  jest stworzenie szczegółowszego modelu dynama i testy obserwacyjne dodatkowych efektów przewidywanych przez ten model.


Więcej informacji:

Publikacja naukowa w Nature (wersja płatna): „The origin and evolution of magnetic white dwarfs in close binary stars”
ArXiv (wersja darmowa): „The origin and evolution of magnetic white dwarfs in close binary stars”

Wersja popularnonaukowa: „Discovered: The mechanism that generates huge white dwarf magnetic fields”


Źródło: University of Warwick


Opracowanie: Ryszard Biernikowicz


Na ilustracji: pochodzenie pól magnetycznych w białych karłach w ciasnych układach podwójnych (kolejność odwrotna do ruchu wskazówek zegara). Pole magnetyczne pojawia się, gdy krystalizujący się biały karzeł akreuje materię z towarzysza  co powoduje jego szybką rotację. Gdy pole magnetyczne białego karła połączy się z polem gwiezdnego towarzysza, transfer masy ustaje w dość krótkim czasie. Źródło: Paula Zorzi

Reklama