ננס לבן

ננס לבן הוא גרם שמיים המהווה את השלב האחרון במחזור החיים של כוכב הסדרה הראשית בעל מסה קטנה או בינונית.
ככלל, מקור האנרגיה של כוכב הוא בהיתוך גרעיני שמתבצע בליבתו. בהיתוך זה אטומים של יסוד קל, לדוגמה מימן, מתמזגים ויוצרים יסוד מסיבי יותר. התהליך כרוך בשחרור כמות גדולה של אנרגיה. לאחר שמלאי המימן שבכוכב הותך להליום, הכוכב גדל לענק אדום שבו מתבצע היתוך תרמו-גרעיני מהליום לפחמן ולחמצן. אם מסת הענק האדום נמוכה מכדי לאפשר היתוך גרעיני של פחמן, תיווצר במרכזו ליבת פחמן וחמצן. השכבות החיצוניות הקרות של הענק האדום ייצרו ערפילית פלנטרית. ליבת הענק האדום היא הננס הלבן. לכן, על פי רוב ננסים לבנים מורכבים מפחמן וחמצן. חלק קטן מהננסים הלבנים עשויים הליום, כתוצאה מאובדן מסה במערכות של כוכבים זוגיים. לעיתים הטמפרטורה בליבת הענק האדום מספיקה לשם התכת פחמן, אך לא לשם התכת ניאון. במקרים אלו נוצרת ליבת חמצן-ניאון-מגנזיום. היות שננס לבן הוא השלב האחרון בהתפתחותו של כוכב בעל מסה ממוצעת, כ-97% מכוכבי הסדרה הראשית, שאינם ננסים אדומים, שבגלקסיית שביל החלב יסיימו חייהם כננסים לבנים.
הטמפרטורה הגבוהה בכוכבים לא גורמת רק לפליטת קרינה ואנרגיה מן הכוכב, אלא מונעת את קריסת החומר שבכוכב אל תוך ליבתו. החומר שמרכיב את הננס הלבן אינרטי, ולא עובר מיזוג תרמו-גרעיני. לננס הלבן אין כל מקור אנרגיה, ולכן הטמפרטורה שלו אינה מספיקה לשם איזון הקריסה הגרוויטציונית. לחלופין, הקריסה הגרוויטציונית של הכוכב מאוזנת על ידי לחץ הניוון של האלקטרונים. על כן, צפיפות הננס הלבן גבוהה ביותר, פי מיליון מצפיפותם של מים. משום שלחץ הניוון של האלקטרונים מוגבל בגודלו, לננסים לבנים תיתכן מסה מרבית מסוימת. המסה המרבית של ננס לבן שאינו מסתובב (תנועה סיבובית פועלת אף היא כנגד הקריסה הכבידתית) נקראת גבול צ'נדראסקאר – כ-1.44 מסות שמש. כאשר עוברת מסה נוספת אל ננס לבן (לרוב מכוכב שכן), הוא עשוי להתפוצץ בסופרנובה מסוג Ia.
בשל הקריסה המהירה של הננס הלבן, הוא חם מאוד כשהוא נוצר, אך הוא מקרין בהדרגה אנרגיה ומתקרר. קרינה זו היא המקור לבהירותו העמומה. בחלוף הזמן, תדירות הקרינה תרד בהדרגה, עד אשר הוא ייעשה אפל. בשלב זה הננס הלבן יהיה לננס שחור. אך בשלב חיים זה של היקום, אפילו הננסים הלבנים העתיקים ביותר עדיין קורנים בטמפרטורה של כמה אלפי קלווין. לכן, ככל הנראה, לא קיימים ננסים שחורים כיום.

גילוי הננס הלבן

מערכת הכוכבים המשולשת של 40 ארידאני כוללת את כוכב הסדרה הראשית 40 ארידאני A, את הננס הלבן 40 ארידאני B, ואת הננס האדום 40 ארידאני C. הזוג 40 ארידאני B ו-C התגלה על ידי ויליאם הרשל ב-31 בינואר 1783. ב-1910 גילו הנרי נוריס ראסל, אדווארד צארלס פיקרינג ווילמינה פלמינג כי חרף היותו כוכב עמום 40 ארידאני B שייך למחלקת הבהירות A, כלומר, הוא לבן. הסיווג הספקטרלי של 40 ארידאני B נקבע רשמית על ידי וולטר אדמס ב-1914. בן זוגו של סיריוס, סיריוס B, היה הננס הלבן השני שהתגלה. פרידריך בסל גילה כי הכוכב סיריוס משנה את מיקומו באופן מחזורי. התגלה שלסיריוס יש בן זוג קטן, אך בעל אותו סיווג ספקטרלי.

חומר מנוון

צפיפויות מסדר גודל שכזה ייתכנו משום שננסים לבנים אינם עשויים אטומים הקשורים בקשר כימי, כי אם מפלזמה של גרעיני אטומים ואלקטרונים. לכן, משום שהחומר בננס הלבן אינו ארוז באטומים, הפרוטונים והנייטרונים יכולים לשכון בסמיכות, ללא הגבלה של רדיוס האורביטלים האטומיים. לעומת זאת, בחומר אטומי, האלקטרונים משכנים את רמות האנרגיה השונות, והגרעינים לא יכולים להיות סמוכים. אדינגטון תהה מה עתיד לקרות כשהפלזמה תתקרר, האטומים לא יהיו מיוננים (כלומר, האלקטרונים ישובו למסלוליהם במעטפת האטום) והחומר לכאורה יסתדר מחדש באטומים. את התעלומה הזו פתר רלף האוורד פאולר על ידי שימוש של מכניקת הקוונטים, בשנת 1926. משום שאלקטרונים (מהיותם פרמיונים) פועלים לפי עקרון האיסור של פאולי, שני אלקטרונים לא יכולים להיות באותו מצב קוונטי. לכן, האלקטרונים פועלים לפי התפלגות פרמי-דיראק, שפותחה אף היא בשנת 1926, במטרה לתאר את ההתפלגויות הסטטיסטיות של חלקיקים הפועלים לפי עקרון האיסור של פאולי - כלומר, פרמיונים. מכאן נובע שבאפס המוחלט לא כל האלקטרונים יכולו לשכן את רמת האנרגיה הנמוכה ביותר. חלק מהאלקטרונים ישכנו את רמות האנרגיה הגבוהות יותר - מצב הקרוי "מנוון". לכן, ננס לבן יכול להתקרר לטמפרטורה של 0 קלווין, ועדיין החומר שבו ישכן רמות אנרגיה גבוהות יותר - כלומר, לאלקטרונים תהיה תמיד אנרגיה מסוימת.
דחיסת החומר בננס לבן תוביל לעלייה במספר האלקטרונים ליחידת נפח. לפי עקרון האיסור של פאולי, האנרגיה הקינטית הממוצעת של האלקטרונים תעלה, וכך גם הלחץ. לחץ זה, הקרוי "לחץ ניוון של האלקטרונים" מונע את הקריסה הגרוויטציונית של הננס הלבן. לחץ זה תלוי בצפיפות האלקטרונים, ולא בטמפרטורה שלהם.
לחץ הניוון של האלקטרונים הוביל למסקנה כי קיים חסם עליון למסתו של ננס לבן. רעיונות אלו הוצגו על ידי וילהלם אנדרסון (1929) ועל ידי אדמונד סטונר (1930). הערך הידוע כיום לגבול זה נמצא על ידי סוברהמניאן צ'נדראסקאר בשנת 1931 במאמרו "המסה המרבית של ננס לבן אידיאלי". צ'נדראסקאר מצא כי מסתו המרבית של ננס לבן לא מסתובב היא , כאשר  מייצג את היחס בין המשקל האטומי הממוצע למספר האטומי הממוצע. בעת שצ'נדראסקאר פרסם את מאמרו, רווחה הדעה שכוכבים מורכבים מיסודות כבדים, שבהם הערך הממוצע הוא , ומכאן הוא קיבל כי הגבול למסת ננס לבן הוא 0.91 מסות שמש. כיום מקובל שננס לבן של פחמן-חמצן מורכב כמעט בלעדית מפחמן-12 ומחמצן-16. באיזוטופים אלו המספר האטומי הוא בדיוק מחצית מהמשקל האטומי, ולכן , ומכאן שהמסה המרבית היא 1.4 מסות שמש. גבול זה קרוי כיום גבול צ'נדראסקאר. על תגליות אלה זכה צ'נדראסקאר בשנת 1983, יחד עם ויליאם אלפרד פוֹלֶר, בפרס נובל לפיזיקה.
אם מסתו של ננס לבן תעבור את גבול צ'נדראסקאר בו לא חלות ריאקציות מיזוג גרעיניות, אזי הלחץ שמפעילים האלקטרונים לא יאזן את כוח הכבידה, והננס יקרוס לכדי כוכב נייטרונים או לחור שחור. לעומת זאת, בננס לבן של פחמן-חמצן שאליו עוברת מסה מכוכב שכן תחול ראקציית מיזוג גרעינית, ותתרחש סופרנובה מסוג Ia במהלכה הננס הלבן יושמד, לפני הגעתו לגבול המסה.
לננסים לבנים יש בהירות מוחלטת נמוכה, ולכן הם ממוקמים באזור נפרד בדיאגרמת HR, המראה את הקשר בין בהירות הכוכב לטמפרטורת פני השטח שלו.

קרינה והתקררות

הקרינה הנצפית שנפלטת על ידי ננס לבן נעה בטווח צבעים (או אורכי גל) רחב. קרינה זו נעה בין אור כחול-לבן של כוכב סדרה ראשית מסוג O, לבין אור אדום של ננס אדום מסוג M. טמפרטורת פני השטח של ננס לבן יכולה לנוע בין 150,000 קלווין ל-4,000 קלווין. לפי חוק סטפן-בולצמן, עוצמת הקרינה גדלה עם הטמפרטורה (וליתר דיוק עם ריבוע הטמפרטורה). טמפרטורה זו מתאימה לעוצמת קרינה בתחום שבין פי 100 מזו של השמש, לבין פי 10⁻⁵ מזו של השמש. ננסים לבנים חמים, עם טמפרטורה של 30,000 קלווין או יותר פולטים קרינת רנטגן "רכה", כלומר בעלת אנרגיה נמוכה. לכן ניתן לחקור את הרכבם של ננסים לבנים אלו באמצעות טכניקות של אסטרונומיה של קרינת UV או רנטגן.
בהנחה שהננס הלבן לא סופח חומר מכוכבים שכנים, מקור הקרינה הזו הוא באנרגיית החום הפנימית שלו. אנרגיה זו דועכת עם הזמן, ויוצאת בצורה של קרינה אלקטרומגנטית. משום שלננסים לבנים שטח פנים קטן מאוד, הספק קרינת החום שלהם נמוך ביותר, והם נותרים חמים לאורך זמן. כאשר ננס לבן מתקרר, טמפרטורת פני השטח שלו יורדת, הקרינה הנפלטת הופכת לאדומה יותר (כלומר, אורך הגל שלה גדל) ובהירותו דועכת. משום שהממשק היחיד להוצאת האנרגיה של הננס הלבן הוא הקרינה, קצב ההתקררות דועך עם הזמן. לשם ההמחשה, ננס לבן בן 0.59 מסות שמש בטמפרטורה של 7140 קלווין יתקרר ב-500 מעלות תוך כ-0.3 מיליארד שנים. הוא ימשיך להתקרר ב-500 מעלות כעבור עוד 0.4 מיליארד שנים, וב-500 מעלות נוספות רק מקץ עוד 1.1 מיליארד שנים. על אף שבתחילת דרכו ננס לבן מורכב מפלזמה (כלומר, תערובת של גרעיני אטומים ואלקטרונים), מחקרים ניבאו בשנות ה-60 שננס לבן יהפוך בשלב מסוים לגביש, כאשר תהליך ההתגבשות יחל במרכזו. בשנת 1995 מדידות סיסמוגרפיות אסטרונומיות של ננסים לבנים אפשרו בחינה תצפיתית של השערת ההתגבשות. ב-2004 צוות של חוקרים מאוניברסיטת הרווארד העריך על סמך מדידות אלו שכ-90% מהמסה של הננס הלבן BPM 37093 התגבשה.
טמפרטורת פני השטח של רוב הננסים הלבנים שנצפו עד היום גבוהה יחסית, ונעה בין 8,000 ל-40,000 קלווין. אולם, משום שננס לבן מתקרר בהדרגה, פרק הזמן שבו לננס הלבן יש טמפרטורה גבוהה קצר יחסית. על כן, יש להניח שיש יותר ננסים לבנים קרים מאשר חמים. עם זאת, רק למעטים מהננסים הלבנים שנצפו עד היום יש טמפרטורת פני שטח נמוכה מ-4,000 קלווין. הסיבה לכך היא שגיל היקום הוא סופי. כלומר, הננסים הלבנים הזקנים ביותר לא הספיקו להתקרר לטמפרטורה של פחות מ-4,000 קלווין. על סמך זאת ניתן להעריך מתי החלו להיווצר ננסים לבנים. ההערכה הנוכחית עומדת על 8 מיליארד שנים.
באופן תאורטי, ננס לבן יתקרר לכדי ננס שחור, שנמצא בשיווי משקל תרמי עם סביבתו ועם קרינת הרקע הקוסמית; אולם בגלל קצב ההתקררות האיטי, לא ידוע על קיומם של ננסים שחורים כיום.

שדה מגנטי

פטריק בלאקט שיער ב-1947 את קיומם של שדות מגנטיים בעלי עוצמה של כמיליון גאוס בננסים לבנים, בעקבות חוק פיזיקלי שהציע, שלפיו גוף מסתובב, לא טעון, ייצור שדה מגנטי בעוצמה הפרופורציונית לתנע הזוויתי שלו. חוק זה מעולם לא התקבל, ובשנות ה-50 בלאקט דחה אותו. בשנות ה-60 הוצע כי לננסים לבנים יש שדה מגנטי בגלל שימור השטף המגנטי הכולל במהלך המעבר מכוכב רגיל לננס לבן. שדה מגנטי בגודל של כ-100 גאוס על פני השטח של הכוכב המקורי יהפוך לשדה מגנטי בגודל של כ-10⁶ גאוס לאחר שהכוכב התכווץ ברדיוסו פי 100. הננס הלבן הראשון שאצלו נמדד שדה מגנטי הוא GJ742 ב-1970. השדה שלו בפני השטח הוא 300 מיליון גאוס. מאז נמדדו שדות מגנטיים ביותר מ-100 ננסים לבנים, בין 2,000 ל-10⁹ גאוס. לפי הערכות, לכ-10% מכלל הננסים הלבנים יש שדה מגנטי בעוצמה של למעלה ממיליון גאוס.

ננסים לבנים משתנים

מחישובים מוקדמים עולה כי ייתכנו ננסים לבנים שבהירותם משתנה אחת לכ-10 שניות. חיפושים אחר ננסים לבנים שכאלו בשנות השישים לא העלו תוצאות. הננס הלבן המשתנה הראשון שנמדד היה HL Tau 76, וזמן המחזור שלו היה 12.5 דקות. הסיבה לזמן המחזור הארוך ביחס למצופה היא תנודות לא רדיאליות של גלי כבידה.

סופרנובה מסוג Ia

ננס לבן עשוי לספוח אליו חומר מסביבתו, עד שמסתו תעבור את גבול צ'נדראסקאר. בשלב זה לחץ הניוון של האלקטרונים לא יספיק כדי לאזן את כוח הכבידה והננס לבן יתחיל לקרוס. העלייה בטמפרטורה תתחיל תהליך היתוך מואץ אשר יוביל לפיצוץ סופרנובה, במהלכה הננס הלבן נהרס. מאחר שסופרנובות מסוג Ia מתרחשות קרוב לגבול צ'נדראסקאר, עוצמתן כמעט אחידה לגמרי, מה שמאפשר שימוש בהן כנר תקני. באמצעות שימוש כזה, גילה צוות בראשות בריאן שמידט בשנת 1998, שהתפשטות היקום מואצת. המחקר נערך על ידי אדם ריס, והגילוי הזה הוביל להנחה של קיום אנרגיה אפלה]. הגילוי זיכה את שמידט, ריס וסול פרלמוטר בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2011.