Valkoinen kääpiö

Valkoinen kääpiö on tiivis tähti, jonka koko on Maan suuruusluokkaa ja massa tähden suuruusluokkaa. Valkoisen kääpiötähden tiheys ja painovoima pinnalla ovat valtavia. Valkoinen kääpiö syntyy, kun Auringon massan luokkaa oleva punainen jättiläinen muuttuu epävakaaksi ja sinkoaa ulko-osansa pois planetaariseksi sumuksi. Jäljelle jää enimmäkseen heliumista ja ehkä myös hiilestä ja hapesta koostunut kuuma ydin, jossa ydinreaktiot ovat lakanneet. Ydin on luhistunutta eli degeneroitunutta ainetta, joissa atomit ovat romahtaneet kasaan, koska niiden elektroniverho on rikkoutunut suuressa paineessa. Jos valkeaan kääpiöön virtaa massaa (niin että sen massa ylittää Chandrasekharin rajan 1,4 Auringon massaa), koko kääpiötähti räjähtää supernovana.

Sirius A näkyy kuvassa kirkkaana. Valkoinen tähti Sirius B näkyy himmeänä osoitettuna nuolella.

Valkoisen kääpiön ominaisuuksista

Maa ja valkea kääpiö Gliese 915 kokovertailussa.

Valkoinen kääpiö saa alkunsa tähdestä, jonka massa on alle 8 (5–9) Auringon massaa. Ydinreaktioiden päättyessä tähden ytimessä kaasun paine laskee, jolloin painovoima vetää ytimen kasaan ja tiheys nousee. Lopulta tiheys on niin suuri (miljoonia kiloja kuutiometriä kohti), että atomien elektroniverhot valkoisen kääpiön sisäosissa särkyvät eli aine degeneroituu. Tunnettuja valkoisia kääpiöitä ovat muun muassa Sirius B, joka on läpimitaltaan noin 10 000 km ja Procyon B.

Raskaammissa, yli 1,44 Auringon massaisissa tähdissä degeneraatiosta aiheutuva paine ei riitä vastustamaan painovoimaa, vaan ne luhistuvat joko neutronitähdiksi tai mustiksi aukoiksi. 1,44 Auringon massaa sanotaan Chandrasekharin massaksi (tai rajaksi). Tämä massa, joka on valkoisen kääpiön massan maksimiraja, vaihtelee tähden kemiallisen koostumuksen mukaan ja voi olla niinkin alhainen kuin 1,2 Auringon massaa. Aurinko tulee muuttumaan valkoiseksi kääpiöksi noin 5–7 miljardin vuoden kuluttua.

Tyypillisen valkoisen kääpiön massa on noin 0,5–1,0 Auringon massaa ja säde noin 0,01 Auringon sädettä. Sen tiheys on silloin 10⁹ kg/m³. Valkean kääpiön sisällä vaikuttaa niin sanottu degeneroituneen eli luhistuneen elektronikaasun paine. Suurissa tiheyksissä atomien elektroniverho painuu kasaan, mikä mahdollistaa aineen pakkautumisen hyvin tiheäksi. Tiedetäänhän, että atomeista suurin osa on tyhjää atomin ydinten ja elektronien välillä. Degeneroituneessa aineessa atomien ytimet ja elektronit ovat pakkautuneet puuroksi. Valkeassa kääpiössä eivät vaikuta ionien paine ja säteilypaine niin kuin normaaleissa tähdissä. Valkoiset kääpiöt eivät tuota energiaa, mutta jos ne tuottavat, silloin niissä tapahtuu räjähdys tai ne räjähtävät. Massan kasvaessa valkoisen kääpiön säde pienenee, niin että degeneroituneen tähden koko on kääntäen verrannollinen massan kuutiojuureen. Suurempi massa puristaa degeneroitunutta aihetta painovoimallaan enemmän kasaan. Valkeiden kääpiöiden spektriviivat ovat leventyneet voimakkaan painovoiman takia ja joskus myös nopean pyörimisen vuoksi. Joissain valkeissa kääpiöissä on satojen teslojen suuruisia, hyvin voimakkaita magneettikenttiä.

Aivan alussa valkoinen kääpiö on hyvin kuuma, yli 100 000 K. Se jäähtyy vähitellen kehityksensä aikana valkoisesta keltaiseen, oranssiin ja punaiseen, sillä se säteilee jäännöslämpöä pois. Lisäksi se menettää energiaa urca-prosessissa syntyvien neutriinojen mukana. Lopulta sen lämpötila laskee niin alhaiseksi, ettei se enää lähetä näkyvää säteilyä. Tällaista sammunutta tähteä sanotaan mustaksi kääpiöksi (mikä ei ole sama asia kuin musta aukko). Tähän menee laskujen mukaan kuitenkin jopa biljoonia vuosia, ja koska maailmankaikkeuden ikä on noin 13,7 miljardia vuotta, ei mustia kääpiöitä tiettävästi ole vielä olemassa, vaan vanhimpienkin valkoisten kääpiöiden lämpötila on yhä useita tuhansia kelvinejä.

Valkean kääpiön planeetat

Valkeaa kääpiötä ympäröivä ainekiekko.

Valkealla kääpiöllä voi olla ympärillään eri kokoisista kappaleista koostuvia kiekkoja, joissa voi tiivistyä planeettoja.

Valkea kääpiö lähekkäisessä kaksoistähdessä

AR scorpii on lähekkäinen kaksoistähti, jossa on punainen jättiläinen ja valkea kääpiö.

Lähekkäisessä kaksoistähdessä valkoisen kääpiön ympärille virtaa massaa, jolloin syntyy novamainen purkautuva muuttuja. Näissä valkean kääpiön pinnalla tapahtuu aika ajoin räjähdysmäistä fuusioreaktiota. Valkeaa kääpiötä ympäröi silloin kaasukiekko. Monesti valkeasta kääpiöstä lähtee suunnilleen magneettikentän napojen suuntaisia suihkuja.

Sirius B, valkoisen kääpiön prototyyppi

Sirius B on melko nuori valkea kääpiö, jonka ympärillä on kaasua ja pölyä.

• Sirius B:n massa on noin 1,03 Auringon massaa (0,98 – 1,05)
• Säde 0,008 Auringon sädettä. Läpimitta on 11 700 kilometriä eli 92 % Maasta.
• Tähden pintalämpötila on 24 790 K
• Kirkkaus 0.00024 aurinkoa
• Spektrityyppi on DA2
• Absoluuttinen kirkkaus 11,35
• Väri-indeksi B-V -0,03
• Väri-indeksi U-B 1,04

Väri-indeksi U-B on sinisempi kuin Sirius A:n, joka on alijättiläistähti ja B-V:ltä suunnilleen sama kuin valkea kääpiö Sirius B. Vertailun vuoksi kevyemmän Procyon B:n massa on 0,602 Auringon massaa ja läpimitta 17 000 kilometriä sekä spektrityyppi A4VII.

Valkoisten kääpiöiden luokittelu

Valkoiset kääpiöt on vanhemmissa lähteissä merkitty kirjaimilla wd (engl. white dwarf) tai vk (valkea kääpiö).

• D?0 100000 K
• D?1 50400 K
• D?2 25200 K
• D?3 16800 K
• D?4 12600 K
• D?5 10080 K
• D?6 8400 K
• D?7 7200 K
• D?8 6300 K
• D?9 5600 K

?:n paikalla on kirjain A,B,Q,Z,C,X.

• DA: vetyrikas ulompi ilmakehä, voimakkaat vedyn Balmerin viivat
• DB: heliumrikas, neutraalin heliumin viivoja
• DQ: Hiilirikas ilmakehä ja ulkokerros, atomaarista tai molekulaarista hiiltä.
• DZ: metallirikas ulompi ilmakehä, kalsium II-viivoja
• DC: Ei mikään yllä olevista DA, DB, DQ ja DZ.
• DX: Ei mikään yllä olevista DA, DB, DQ ja DZ sekä DC.

Valkoisia kääpiöitä

Kirkkaimmat valkoiset kääpiöt

Nimi	tähtikuvio	rektaskensio	deklinaatio	näennäinen kirkkaus	etäisyys valovuosina	läpimitta kilometreinä
Sirius B	CMa	06 45,1	–16,7	8,3	8,6	10 300
40 Eri B	Eri	04 15,4	–07,7	9,5	15,7	17 000
Procyon B	CMi	07 39,3	+05.2	10,7	11,4	17 500
Feige 34	UMa	10 39,6	+43,1	11,1	55	?
W1346	Cyg	20 34,4	+25,1	11,5	45	17 000
EG247	Cam	05 05,5	+52,8	11,8	140	23 000
EG62 (LP 532-81)	Pyx	08 41,5	–32,9	12,0	30	22 000
He3 (EG50)	Aur	06 47,6	+37,5	12,0	60	13 000
EG368	Dra	16 48,4	+59,1	12,2	40	17 000
EG180	Cam	04 31,2	+59,0	12,4	18	16 000
van Maanenin tähti	Psc	00 49,2	+05,4	12,4	14	17 000
AC +70 5824	UMi	13 38,9	+70,3	12,8	100	?
EG15	Ari	02 08,8	+25,2	13,2	100	18 000

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Valkoinen kääpiö Wikimedia Commonsissa