Астрономы открыли первую зеленую звезду и самое красное светило в истории: как физика сверхплотных атмосфер изменила оптические цвета белых карликов

Цвет любого светящегося космического объекта определяется законами термодинамики. Нагретое плотное вещество испускает электромагнитные волны в широком непрерывном диапазоне. Чем выше температура поверхности небесного тела, тем сильнее пик его излучения сдвигается в сторону коротких длин волн. По этой причине холодные звезды с температурой около 3000 кельвинов выглядят красно-оранжевыми, звезды с температурой Солнца (около 6000 кельвинов) — желтовато-белыми, а горячие массивные светила с температурами в десятки тысяч кельвинов — голубыми.

В этой шкале принципиально отсутствует зеленый цвет. Причина заключается в устройстве зрительной системы человека. Сетчатка глаза содержит три типа цветовых рецепторов — колбочек, которые реагируют на короткие (синий), средние (зеленый) и длинные (красный) волны видимого спектра. Тепловой спектр излучения всегда остается широким и пологим. Если температура звезды такова, что максимум ее энергии приходится точно на зеленый участок (около 500 нанометров), этот же объект одновременно излучает значительные объемы синего и красного света. Излучение возбуждает все три типа зрительных рецепторов одновременно. Зрительная кора головного мозга суммирует эти сигналы и формирует ощущение нейтрального белого цвета. По этой причине ни одна стандартная звезда в природе не может казаться зеленой или фиолетовой.

Однако это правило нарушается на финальной стадии звездной эволюции. Астрофизики из Уорикского и Кильского университетов под руководством Марка Холландса провели колориметрическое моделирование спектров белых карликов. Расчет показал: сверхвысокая плотность атмосферы и примеси определенных химических элементов вызывают специфические квантовые процессы, которые блокируют отдельные участки оптического диапазона. В результате эти компактные объекты приобретают насыщенные нетермические цвета: розовый, сиреневый, глубокий лазурный и чистый зеленый.

Физические условия в атмосфере белого карлика

Белые карлики представляют собой ядра звезд малой и средней массы, оставшиеся после прекращения термоядерных реакций и сброса внешних газовых оболочек. В объеме, равном объему Земли, сосредоточена масса, близкая к массе Солнца.

Такое распределение массы порождает ускорение свободного падения на поверхности около миллиона метров на секунду в квадрате (логарифм гравитации log g составляет около 8 в шкале CGS), что в сотни тысяч раз больше гравитации на поверхности Земли. Мощное гравитационное поле заставляет тяжелые атомы быстро тонуть, разделяя атмосферу на чистые слои водорода или гелия. Полная толщина звездной атмосферы составляет всего несколько сотен метров.

Пока белый карлик остывает, температура его фотосферы постепенно снижается. При охлаждении плотность прозрачных нижних слоев гелиевой атмосферы непрерывно нарастает. У старых и холодных звезд плотность фотосферы доходит до 1 грамма на кубический сантиметр. Вещество переходит в состояние сверхплотного сжатого газа.

В обычной разреженной атмосфере атомы поглощают фотоны строго определенных энергий, что оставляет в спектре излучения узкие темные линии поглощения. В сверхплотной среде белого карлика расстояние между частицами сокращается до масштабов их электронных оболочек. Электрические поля нейтральных атомов гелия и свободных электронов непрерывно возмущают энергетические уровни соседних атомов.

Этот процесс называют уширением давлением. В результате межатомных взаимодействий узкие спектральные линии поглощения расширяются на десятки и сотни нанометров, теряя свою форму. Если атмосфера холодного белого карлика содержит примеси углерода или металлов, размытые полосы поглощения полностью закрывают прохождение света в протяженных участках оптического диапазона. Спектр перестает быть непрерывным тепловым распределением, и цветовой облик звезды кардинально меняется.

Колориметрический метод расчета

Чтобы понять, как эти спектральные особенности воспринимаются человеческим глазом, исследователи объединили спектроскопию с методами науки о цвете. Они использовали наблюдательные данные спектрального обзора Sloan Digital Sky Survey, а также синтетические спектры, рассчитанные на базе трехмерных атмосферных моделей.

Каждый спектральный профиль интегрировали с функциями сложения цветов стандарта Международной комиссии по освещению (CIE 1931). Эти математические функции соответствуют чувствительности трех типов колбочек сетчатки глаза в условиях дневного зрения в центральной зоне обзора. Полученные координаты цвета перевели в стандартное цифровое цветовое пространство sRGB, используемое в современных мониторах.

Расчет включал в себя обязательное применение оптоэлектронной функции передачи — гамма-коррекции. Зрительный аппарат человека оценивает яркость света нелинейно: чувствительность к градациям яркости в темной области существенно выше, чем в светлой. Прямой линейный перевод оптического потока в экранные пиксели привел бы к искусственному искажению и перенасыщению цветов. Введение точных математических поправок позволило воссоздать реальный цвет поверхности белых карликов, каким его зафиксировал бы наблюдатель при прямом визуальном контакте с близкого расстояния.

Углеродные карлики: спектры розовых и лососевых тонов

Белые карлики спектрального класса DQ содержат углерод во внешних гелиевых слоях. Углерод поднимается из глубинных областей звезды благодаря конвекции, возникающей при постепенном остывании внешних оболочек.

При падении эффективной температуры ниже 6500 кельвинов атомы углерода объединяются в двухатомные молекулы C₂. Эти молекулы формируют серии широких полос поглощения, известные в оптической спектроскопии как полосы Свана. Когда плотность атмосферы превышает 0,15 грамма на кубический сантиметр, молекулярные уровни C₂ испытывают сильное возмущение. Энергия электронного перехода молекулы смещается в прямом соотношении с плотностью газа. Из-за этого полосы Свана сдвигаются в сторону коротких длин волн и теряют симметрию. Звезды с такими характеристиками выделяют в отдельную категорию пекулярных углеродных карликов (DQpec).

Полосы Свана находятся в диапазоне от 400 до 600 нанометров — именно на этот интервал приходится основная чувствительность зрительных рецепторов человека. Уширенные молекулярные полосы вырезают зеленый и желтый свет. Свободным для выхода остается только длинноволновое красное излучение (длины волн более 600 нанометров) и часть синего потока на длинах волн короче 450 нанометров.

В результате смешения двух противоположных краев оптического диапазона при отсутствии центрального компонента звезда меняет цвет:

• Карлик WD J1011+2845 (известный также под названиями LHS 2229 и LP 315−42) расположен в 14,7 парсека от Солнца. Температура его фотосферы составляет около 4300 кельвинов. Сочетание высокой плотности вещества и сильного собственного магнитного поля привело к формированию глубоких полос поглощения молекулярного углерода, полностью блокирующих диапазон от 400 до 600 нанометров. Для человеческого глаза этот объект имеет выраженный лососево-розовый цвет (шестнадцатеричный цветовой код #FF8775). Согласно вычисленным координатам цветности, это наиболее красный звездный объект среди всех спектрально подтвержденных светил.
• Объект WD J1333+0016 имеет близкий спектральный профиль, однако из-за чуть более высокой интенсивности излучения на длинах волн короче 450 нанометров его цвет смещен в сторону насыщенного холодного розового тона (#FF9DB3).
• Углеродные карлики с более высокой температурой (около 8000 кельвинов), такие как WD J0136+2004, за счет умеренного сохранения синей составляющей спектра выглядят бледно-сиреневыми (#E3D1FF).

Металлическое загрязнение и возникновение зеленого цвета

Белые карлики спектрального класса DZ содержат в атмосфере тяжелые элементы: кальций, магний, натрий, железо, литий. Поскольку в условиях сильной поверхностной гравитации металлы опускаются в подфотосферные слои за астрономически короткие промежутки времени (от сотен до десятков тысяч лет), их устойчивое присутствие означает непрерывный приток твердого вещества извне. Источником металлов служат планетезимали — астероиды и фрагменты комет, оставшиеся от разрушенных планетных систем. При приближении к белому карлику они дробятся приливными силами, испаряются и оседают в звездной атмосфере.

При температуре гелиевой фотосферы ниже 11 000 кельвинов спектральные линии гелия перестают возбуждаться. Гелиевый газ становится практически прозрачным, а линии аккрецированных металлов под действием давления расширяются на гигантские спектральные интервалы.

Для описания взаимодействия атомов металлов с плотным нейтральным гелием исследователи использовали объединенную теорию формы спектральных линий. В ней профиль поглощения рассчитывается на основе межатомных потенциалов взаимодействия. Линии резонансных переходов кальция (нейтральный кальций Ca I на длине волны 4227 ангстрем и ионизированный Ca II на длинах волн 3934 и 3968 ангстрем) блокируют синий и фиолетовый диапазоны. Одновременно с этим резонансный дублет натрия (Na I на длине волны 5890 ангстрем) образует полосу поглощения шириной более ста нанометров, закрывая желтую и оранжевую части спектра.

В зависимости от концентрации конкретных металлов оптический баланс кардинально меняется:

1. Зеленый цвет (WD J1330+6435). Эффективная температура фотосферы звезды составляет 4240 кельвинов. В атмосфере обнаружены кальций, литий и натрий. Поглощение кальция перекрывает излучение на длинах волн короче 460 нанометров, а широкая полоса поглощения натрия подавляет длины волн от 550 до 650 нанометров. Между двумя зонами поглощения остается оптическое окно прозрачности с центром на длине волны около 500 нанометров. Почти весь видимый свет звезды выходит исключительно в этом диапазоне. В результате зрительная система человека воспринимает WD J1330+6435 как звезду цвета шартрез (желто-зеленый оттенок, цифровой код #DDFFB8). На данный момент белые карлики с подобной комбинацией элементов остаются единственными астрофизическими объектами, создающими чистый зеленый цвет излучения.
2. Аномальный синий цвет (WD J2356−2054). Звезда обладает температурой около 4000 кельвинов. Из-за чрезвычайно высокого содержания натрия линия поглощения Na I расширена настолько сильно, что закрывает весь центр оптического диапазона. Энергия излучения выходит в узком коротковолновом окне между 450 и 500 нанометрами. В итоге остывший объект с температурой 4000 кельвинов, который в отсутствие металлов выглядел бы тускло-оранжевым, светится ярким лазурным светом (#70B4FF). На цветовой диаграмме его координаты лежат левее теоретического предела для бесконечно горячего тела.
3. Желтый цвет (WD J0744+4649). Мощное поглощение кальция подавляет волны короче 460 нанометров, но поглощение магния на длине волны 517 нанометров остается слабым. Выходящий поток распределяется поровну между зеленым и красным каналами при отсутствии синего, что создает чистый желтый цвет (#F6FFA3), невозможный для стандартных черных тел.

Водородно-гелиевые смеси и лазурные оттенки

Изменение цвета происходит и в белых карликах без примесей тяжелых элементов, если их атмосфера состоит из смеси гелия с небольшой долей водорода. При температурах ниже 5000 кельвинов такие звезды классифицируют как инфракрасно-тусклые (IR-faint).

В этих условиях водород переходит в молекулярное состояние H₂. Во время частых столкновений молекул водорода с нейтральными атомами гелия под высоким давлением происходит кратковременная взаимная деформация их электронных оболочек. Возникает индуцированный дипольный момент, вызывающий интенсивное поглощение фотонов в инфракрасной и длинноволновой красной областях спектра.

Поскольку энергия из недр звезды продолжает поступать в атмосферу, тепловой поток перераспределяется в коротковолновую сторону. Красная часть видимого спектра оказывается подавленной, а сине-зеленая — усиленной. В результате холодные звезды с температурами от 5000 до 8000 кельвинов приобретают цвет циана (например, WD J0039+3035 с кодом #CBF6FF и WD J1403+4533 с кодом #C5F5FF), хотя их термодинамическая температура соответствует желтым и оранжевым звездам.

Распределение цветов в объеме 20 парсек

Для установления общей демографической картины исследователи вычислили колориметрические характеристики для всех 152 белых карликов, находящихся в радиусе 20 парсек (около 65 световых лет) от Солнечной системы. Эта выборка ограничена геометрическим объемом, что исключает наблюдательную селекцию в пользу более ярких горячих звезд.

Статистический анализ показал следующие результаты:

• Медианный цвет популяции. Медианная коррелированная цветовая температура белых карликов в окрестностях Солнца составила 6768 кельвинов. Этой температуре соответствует цвет #F9F5FF — нейтральный белый с минимальным холодным смещением. Данный оттенок практически неотличим от стандартного источника D65 (6504 кельвина), служащего точкой белого цвета в фото- и видеоиндустрии. Название «белые карлики» полностью подтверждается статистикой: в среднем эти звезды действительно являются белыми.
• Доля аномальных объектов. 96,6% звезд выборки (147 объектов из 152) сохраняют спектральное распределение, близкое к излучению черного тела. Это водородные карлики (класс DA) и бедные металлами гелиевые карлики (класс DB).
• Только 3,4% карликов (с погрешностью от минус 1,3% до плюс 1,7%) демонстрируют выраженное отклонение от стандартной цветовой кривой. В исследованной выборке такими аномалиями оказались два желтых карлика класса DZ и три розовых карлика класса DQpec.

Пространственное распределение цвета по диску светила

Помимо суммарного цвета звезды, авторы вычислили видимый облик звездного диска с учетом потемнения к краю.

Свет, выходящий из центра диска, распространяется перпендикулярно поверхности и берет начало в более глубоких и горячих слоях фотосферы. Свет, идущий от краев диска, испускается под малым углом к поверхности и проходит через верхние, более холодные слои.

Для описания этого эффекта применили четырехпараметрический закон Кларета, представляющий собой степенной ряд, описывающий изменение интенсивности излучения в зависимости от косинуса угла выхода фотонов. Параметры закона рассчитывали индивидуально для каждого из каналов цветности на основе синтетических атмосферных спектров.

Расчет выявил пространственное изменение цвета по радиусу звездного диска:

• Водородные карлики (DA). У звезд с чистыми водородными атмосферами при температурах от 7000 до 20 000 кельвинов общая интенсивность излучения от центра к краю падает на величину до 80%. Однако спектральный состав меняется незначительно: диск выглядит практически равномерным по цвету со слабым снижением насыщенности синего на самом краю.
• Углеродные карлики (DQ). Интенсивность молекулярных полос поглощения меняется с оптической глубиной. Центр диска карлика WD J0136+2004 выглядит бледно-лиловым, а по направлению к краю цвет теряет насыщенность и переходит в розовато-серый.
• Металлические карлики (DZ). У звезды WD J1535+1247 температура центра соответствует 5800 кельвинам, и центр диска имеет белый цвет. Но ближе к внешнему краю оптическая глубина меняется, баланс смещается в сторону длинных волн, и по периметру светила формируется золотисто-желтый обод.
• Зеленый карлик WD J1330+6435. В центре диска плотное поглощение натрия и кальция создает зеленый цвет (#D0FFB4). Однако на самых крайних участках диска (на внешних 2% радиуса) излучение выходит из верхних слоев, где условия поглощения меняются: относительная доля синего и зеленого потоков снижается, а доля красного возрастает. Из-за этого край зеленого диска окрашивается в оранжевый цвет.

Значение исследования для наблюдательной астрофизики

Колориметрическое моделирование оптических спектров связывает теоретические уравнения состояния сверхплотного вещества с физиологией визуального восприятия.

Сдвиги цвета белых карликов показывают, как фундаментальные физические процессы — квантовые деформации энергетических уровней в сжатом газе, поляризация молекул при плотных столкновениях и захват фрагментов каменистых экзопланет — полностью преобразуют непрерывный оптический спектр излучения. В условиях сверхвысокой гравитации тепловое излучение перестает определять оптический облик звезды, создавая условия для формирования устойчивых зеленых, синих и розовых спектров.

Источник: RAS Techniques and Instruments