Σύμφωνα με νέα μελέτη, που βασίστηκε στα δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble, υπάρχουν ορισμένοι λευκοί νάνοι, οι οποίοι εξακολουθούν να συντήκουν υδρογόνο, σε αντίθεση με όλα όσα γνωρίζαμε έως τώρα γι’ αυτούς! Αυτές, ωστόσο, οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης του υδρογόνου δεν λαμβάνουν χώρα στον πυρήνα τους, όπως συνέβαινε με τα προγονικά τους άστρα, αλλά στην εξωτερική τους στιβάδα. 

Όταν ένα άστρο σαν τον Ήλιο καταναλώσει τα πυρηνικά του αποθέματα, εκτινάσσει τις εξωτερικές του στιβάδες στο Διάστημα, σχηματίζοντας ένα πλανητικό νεφέλωμα. Το μόνο που παραμένει στο κέντρο του νεφελώματος είναι ο πυρήνας του αρχικού άστρου, ο οποίος έχει συμπιεστεί σε έναν λευκό νάνο, δηλαδή σε ένα συμπαγές, υπέρθερμο και με μεγάλη πυκνότητα ουράνιο σώμα με μέγεθος που δεν υπερβαίνει αυτό της Γης, αλλά με μάζα συγκρίσιμη με αυτήν του Ήλιου. Ακτινοβολώντας θερμότητα στο Διάστημα, η θερμοκρασία των λευκών νάνων μειώνεται διαρκώς, ώσπου δεκάδες δισ. χρόνια αργότερα, μετατρέπονται σε παγωμένους μαύρους νάνους. 

Σύμφωνα με τα όσα γνωρίζαμε έως τώρα, δηλαδή, οι λευκοί νάνοι θεωρούνται ότι είναι «αδρανή» αστρικά λείψανα, με την έννοια ότι από τον σχηματισμό τους και μετά δεν μπορούν να συντηρήσουν άλλα «επεισόδια» σταθερής θερμοπυρηνικής σύντηξης. Τώρα, όμως, μία διεθνής ομάδα αστρονόμων αμφισβητεί αυτή την κρατούσα θεώρηση, ανακαλύπτοντας τις πρώτες ενδείξεις ότι ορισμένοι λευκοί νάνοι συνεχίζουν να συντήκουν το υδρογόνο που έχει συσσωρευθεί στην επιφάνειά τους. Το γεγονός αυτό, μάλιστα, τους κάνει να φαίνονται μικρότερης ηλικίας απ’ όσο πραγματικά είναι. 

Στην σχετική έρευνα, η οποία δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Astronomy στις 6 Σεπτεμβρίου 2021, οι αστρονόμοι συνέκριναν τους λευκούς νάνους που εμπεριέχουν τα σφαιρωτά αστρικά σμήνη M3 και M13. Τα σφαιρωτά σμήνη είναι αστρικά σμήνη, τα οποία απαρτίζονται από μερικές δεκάδες χιλιάδες έως και μερικά εκατομμύρια άστρα, συνωστισμένα κάτω από την αμοιβαία βαρυτική τους έλξη σε μία σφαιρική περιοχή, που συνήθως δεν υπερβαίνει τα 150 έτη φωτός. Τα σφαιρωτά σμήνη κατανέμονται με σφαιρικό περίπου τρόπο στην γαλαξιακή άλω που περιβάλλει τον κάθε γαλαξία. Επειδή, μάλιστα, περιλαμβάνουν τόσα πολλά άστρα, η βαρυτική έλξη που αναπτύσσεται μεταξύ τους είναι αρκετά ισχυρή, διασφαλίζοντας έτσι τη συνοχή τους για δισεκατομμύρια χρόνια.  

Σε γενικές γραμμές, τα άστρα των δύο αυτών σμηνών μοιράζονται αρκετά κοινά χαρακτηριστικά, όπως ηλικία και μεταλλικότητα (δηλαδή την περιεκτικότητά τους σε στοιχεία βαρύτερα του υδρογόνου και του ηλίου), αλλά οι αστρικοί «πληθυσμοί» που εντέλει θα οδηγήσουν σε λευκούς νάνους είναι σε γενικές γραμμές διαφορετικοί. Αυτό καθιστά τα M3 και M13 ένα τέλειο φυσικό εργαστήριο για την ανάλυση του τρόπου με τον οποίο οι διαφορετικοί πληθυσμοί λευκών νάνων ψύχονται. 

Με την βοήθεια του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble, οι αστρονόμοι παρατήρησαν τα δύο αστρικά σμήνη στο εγγύς υπεριώδες τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, γεγονός που τους επέτρεψε να συγκρίνουν περισσοτέρους από 700 λευκούς νάνους στα δύο σμήνη. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της σχετικής έρευνας, το αστρικό σμήνος M3 εμπεριέχει «τυπικούς» λευκούς νάνους, οι οποίοι έχουν ολοκληρώσει την (θερμοπυρηνικά) ενεργή περίοδο της ζωής τους, και η περαιτέρω εξέλιξή τους ακολουθεί μια σχετικά απλή και προβλέψιμη διαδικασία, κατά την οποία αποβάλλουν θερμότητα, ενώ η θερμοκρασία και η φωτεινότητά τους μειώνονται συνεχώς. 

Το σφαιρωτό σμήνος M13, αντιθέτως, βρέθηκε ότι εμπεριέχει δύο πληθυσμούς λευκών νάνων: τους τυπικούς λευκούς νάνους και εκείνους που κατόρθωσαν να συγκρατήσουν γύρω τους μία εξωτερική στιβάδα υδρογόνου, η σύντηξη του οποίου τους προσφέρει μία νέα και απροσδόκητη πηγή ενέργειας, χάρη στην οποία γερνούν πιο αργά από τους πρώτους. Συγκρίνοντας στην συνέχεια τα αποτελέσματά τους με αριθμητικές προσομοιώσεις της αστρικής εξέλιξης στο σφαιρωτό σμήνος Μ13, οι επιστήμονες της σχετικής μελέτης κατόρθωσαν να αποδείξουν ότι περίπου το 70% των λευκών νάνων του σμήνους αυτού συντήκουν το υδρογόνο της επιφάνειάς τους, επιβραδύνοντας έτσι σημαντικά τον ρυθμό με τον οποίο η θερμοκρασία τους μειώνεται. 

Απ’ ό,τι φαίνεται, αυτό που καθορίζει εάν ένας λευκός νάνος θα είναι «τυπικός» ή όχι εξαρτάται από την ακριβή μάζα του αστρικού πυρήνα από τον οποίο προήλθε. Εάν, δηλαδή, η μάζα του αστρικού πυρήνα είναι αρκετά μεγάλη, το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου στην εξωτερική του στιβάδα «καίγεται» και ο αστρικός πυρήνας φτάνει στο στάδιο του λευκού νάνου χωρίς σχεδόν καθόλου επιφανειακό υδρογόνο. Κάποια άστρα, ωστόσο, με μικρότερη μάζα, μπορούν να παραλείψουν αυτό το στάδιο και να μετατραπούν σε λευκούς νάνους, συγκρατώντας παράλληλα και μία στιβάδα υδρογόνου στην επιφάνειά τους. Παρόλο που η στιβάδα αυτή είναι πολύ λεπτή (η μάζα που της αντιστοιχεί δεν υπερβαίνει το ένα δεκάκις χιλιοστό της μάζας του Ήλιου), τα υλικά που εμπεριέχει είναι αρκετά, ώστε να δώσουν το έναυσμα για μία νέα περίοδο σταθερής θερμοπυρηνικής σύντηξης,  παρέχοντας έτσι στον λευκό νάνο μία νέα πηγή ενέργειας που καθυστερεί τη γήρανσή του. 

Εάν η ανακάλυψη αυτή επιβεβαιωθεί, αναμένεται ότι θα έχει συνέπειες για τον τρόπο με τον οποίο υπολογίζουμε την ηλικία των αστρικών σμηνών του Γαλαξία μας. Με άλλα λόγια, αυτή η σχετικά απλή σχέση μεταξύ ηλικίας και θερμοκρασίας που συνεπάγεται ο ρυθμός ψύξης των λευκών νάνων, είχε χρησιμοποιηθεί κατά το παρελθόν ως ένα φυσικό ρολόι, για τον προσδιορισμό της ηλικίας αρκετών σφαιρωτών και ανοικτών αστρικών σμηνών. Ωστόσο, οι λευκοί νάνοι που συντήκουν υδρογόνο στην επιφάνειά τους θα μπορούσαν να καταστήσουν αυτές τις εκτιμήσεις ανακριβείς, ακόμη και κατά 1 δισ. έτη. 

Πηγή: Hubble Discovers Hydrogen-Burning White Dwarfs Enjoying Slow Aging (hubblesite.org)

Φωτογραφία: το σφαιρωτό αστρικό σμήνος Μ13

Credit: ESA/Hubble, Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: D. De Martin

π