Indijski fizičari ruše granicu mase bijelih patuljaka

Simulacije indijskih fizičara ruše granicu koja je desetljećima bila kamen temeljac kozmologije.

Znanstvenici s Indijskog instituta za znanost u Bangaloru pokazali su da magnetska polja unutar bijelih patuljaka mogu podignuti gornju granicu mase tih zvijezda s poznatih 1,4 na čak 2,4 puta veću masu od Sunčeve. Riječ je o simulacijama koje su pratile cijeli evolucijski put zvijezde — od glavnog niza, faze u kojoj zvijezda proizvodi energiju fuzijom vodika, pa sve do bijelog patuljka koji dodatno prikuplja materiju od svoje prateće zvijezde u binarnom sustavu.

Chandrasekharova granica, nazvana po nobelovcu Subrahmanyanu Chandrasekharu, određuje da bijeli patuljak bez jake rotacije ili magnetizma ne može prijeći masu od približno 1,4 Sunčeve mase, a da se ne uruši. Kada se približi toj granici, njegova jezgra postaje dovoljno gusta da zapali ugljik i potencijalno izazove termonuklearnu eksploziju — supernovu tipa Ia. Upravo se ta vrsta supernove koristi kao standardna svijeća za mjerenje udaljenosti u svemiru, a time i za zaključke o širenju svemira.

Od studentskog zadatka do novog ograničenja

Ideja nije nova. Profesor Banibrata Mukhopadhyay, jedan od autora rada objavljenog u časopisu The Astrophysical Journal Letters, kaže da je sve počelo 2011. godine kada je ljetnom studentu dao zadatak da provjeri može li magnetsko polje prekršiti Chandrasekharovu granicu. Teoretičari su desetljećima predviđali mogućnost takozvanih super-Chandrasekharovih bijelih patuljaka, a promatranja neuobičajeno svijetlih supernova tipa Ia išla su tome u prilog. No otvoreno je ostalo ključno pitanje: može li zvijezda uopće evoluirati do takvog stanja, a ne samo teoretski postojati.

Prva autorica studije, doktorandica Zenia Zuraiq, upravo to ističe — simulacije su omogućile praćenje evolucijskog puta od zvijezde glavnog niza do bijelog patuljka i pokazale da je takav put moguć pod određenim uvjetima.

Tim je modificirao računalni kod STARS razvijen na Sveučilištu Cambridge, ugradivši u njega učinke magnetskog polja i hlađenja bijelog patuljka. Rezultati pokazuju zanimljiv mehanizam: magnetsko polje koje je u početku preslabo postaje sve važnije kako patuljak prikuplja masu. Kako materija pristiže, zvijezda postaje gušća i skuplja se, čime se njezino magnetsko polje pojačava. Jače polje stvara dodatni unutarnji tlak koji pomaže zvijezdi da se odupre vlastitoj gravitaciji i podnese veću masu.

U jednom modelu, ugljik-kisikov bijeli patuljak mase 1,02 Sunčeve mase, nastao iz zvijezde glavnog niza od osam Sunčevih masa, prikupljao je materiju brzinom od milijarditog dijela Sunčeve mase godišnje. Magnetizirani model dosegnuo je granicu od oko 2,4 Sunčeve mase, dok je isti model bez magnetizma stao na uobičajenih 1,4.

Zašto je to važno i za nas na Zemlji

Posljedice sežu dalje od same astrofizike. Simulacije nude moguće objašnjenje zašto neki dobro promatrani bijeli patuljci imaju veći polumjer nego što bi se očekivalo s obzirom na njihovu malu masu — isti učinak magnetskog polja. Ako barem dio supernova tipa Ia nastaje od predaka bitno različitih masa i magnetskih svojstava, to znači da njihova luminoznost nije tako univerzalna kako se pretpostavlja.

Tu se otvara pitanje koje autori studije nisu postavili, a koje je možda i najvažnije: ako se kalibracija kozmičkih udaljenosti temelji na pretpostavci fiksne granice i fiksne svjetloće, koliko su onda pouzdani zaključci o brzini širenja svemira koji se na tim mjerenjima grade? Standardni kozmološki model počiva na nizu pretpostavki koje se rijetko propituju, a jedna od njih upravo je univerzalnost supernova tipa Ia kao mjerila.

Ovo nije prvi put da se Chandrasekharova granica dovodi u pitanje. Teoretski radovi o super-Chandrasekharovim patuljcima postoje već godinama, a promatranja su sugerirala da bi mase predaka mogle dosezati i do 2,8 Sunčevih masa. Novo je to što je po prvi put simuliran cijeli put od obične zvijezde do takvog objekta — što teoretsku mogućnost pretvara u provjerljiv scenarij.

Ostaje vidjeti hoće li neovisne skupine ponoviti rezultate i hoće li se predviđeni super-Chandrasekharovi patuljci moći izravno promatrati. Do tada, granica koja nosi ime jednog od najpoznatijih fizičara 20. stoljeća više nije tako čvrsta kao što se činilo.