Stygnące białe karły mogą działać jak zegary wieku całych populacji gwiazd
Po utworzeniu biały karzeł przez długi czas głównie traci zgromadzone ciepło. Jego jasność maleje w przewidywalny sposób, więc rozkład temperatur i jasności białych karłów w gromadzie można porównać z modelami chłodzenia i oszacować wiek populacji. Szczególnie cenna jest najsłabsza, najchłodniejsza część takiego rozkładu. Nie jest to jednak idealny termometr z prostą skalą: na tempo chłodzenia wpływają m.in. krystalizacja, skład wnętrza, grubość warstw powierzchniowych, a u części obiektów także resztkowe spalanie wodoru.
Dlaczego śmierć gwiazdy może mierzyć czas
Biały karzeł nie zachowuje stałej jasności. Po odrzuceniu otoczki pozostaje gorący rdzeń, który stopniowo wypromieniowuje energię. Jeśli znamy fizykę jego wnętrza i atmosfery, możemy obliczać zależność między temperaturą, jasnością i czasem chłodzenia. W gromadzie, gdzie wiele białych karłów pochodzi z jednej populacji, ich rozkład jasności zawiera informację o tym, jak długo trwała ewolucja od narodzin gwiazd do obecnego stanu.
Najchłodniejsze obiekty wyznaczają dolny kraniec
Najstarsze białe karły miały najwięcej czasu na stygnięcie, dlatego szczególnie interesująca jest najsłabsza część populacji. Hubble wykorzystywał bardzo głębokie obserwacje gromad do wykrywania słabych białych karłów i porównywania ich z modelami chłodzenia. Tak otrzymany wiek można zestawić z niezależnym wiekiem wyznaczonym z punktu odejścia ciągu głównego. Zgodność dwóch różnych zegarów jest ważnym sprawdzianem modeli ewolucji.
Zegar wymaga kalibracji fizycznej
Chłodzenie nie jest prostym wykładniczym spadkiem temperatury. Krystalizacja wnętrza uwalnia energię i może opóźniać stygnięcie. Skład węglowo-tlenowy wpływa na pojemność cieplną, a atmosfera reguluje tempo utraty energii. Dlatego astronomowie nie odczytują wieku bezpośrednio z koloru pojedynczej gwiazdy, lecz korzystają z modeli obejmujących strukturę wnętrza i całej populacji.
Nawet „martwa” gwiazda może jeszcze spalać wodór
Obserwacje Hubble’a pokazały, że część białych karłów może zachować wystarczająco grubą otoczkę wodorową, by przez pewien czas podtrzymywać stabilne spalanie wodoru na powierzchni. Taki dodatkowy dopływ energii spowalnia chłodzenie względem najprostszego modelu. To nie unieważnia metody, lecz pokazuje, dlaczego precyzyjne zegary astronomiczne wymagają uwzględniania rzeczywistej historii ewolucyjnej, a nie jednego uniwersalnego wzoru.
Do czasu chłodzenia trzeba dodać wcześniejsze życie
Biały karzeł nie powstał w chwili narodzin gromady. Najpierw jego gwiazda macierzysta spędziła czas na ciągu głównym i w późniejszych fazach. Aby z wieku chłodzenia otrzymać pełny wiek populacji, trzeba więc oszacować również czas życia progenitora. Pomaga w tym związek między początkową masą gwiazdy a masą pozostawionego białego karła. Dla bardzo starych populacji i najchłodniejszych białych karłów chłodzenie stanowi dużą część całego zegara, ale wcześniejszego etapu nie wolno mechanicznie pomijać.
Funkcja jasności jest lepsza niż jeden egzemplarz
Astronomowie często analizują nie pojedynczego białego karła, lecz liczbę obiektów w kolejnych przedziałach jasności. Tzw. funkcja jasności zawiera charakterystyczne cechy zależne od tempa chłodzenia i historii powstawania gwiazd. W gromadzie szczególnie użyteczny jest słaby koniec rozkładu, gdzie brakuje obiektów starszych niż sama populacja. Statystyka wielu pozostałości ogranicza więc wiek lepiej niż próba znalezienia jednego „najstarszego” obiektu narażonego na pomyłki pomiarowe.
Różne populacje wykorzystują zegar w różny sposób
W zwartej gromadzie gwiazd astronom może przyjąć wspólny wiek i porównać całą sekwencję białych karłów z modelami. W dysku Drogi Mlecznej sytuacja jest bardziej złożona, ponieważ gwiazdy powstawały przez długi czas, a rozkład jasności białych karłów miesza historię formowania z fizyką chłodzenia. Odpowiednio modelowany nadal daje jednak informację o wieku i historii populacji. To pokazuje, że „biały karzeł jako zegar” nie jest jednym prostym odczytem. Jest metodą statystyczną, której siła rośnie, gdy znane są odległości, skład, masa i środowisko obiektów oraz gdy wyniki można zestawić z niezależnymi wskaźnikami wieku.
Metoda ma jeszcze jedną zaletę: białe karły są bardzo liczne i długowieczne, więc przechowują pamięć o formowaniu gwiazd przez dużą część historii Galaktyki. Jasne, gorące obiekty reprezentują świeższe pozostałości, a słabsze zwykle starsze, choć dokładna zależność wymaga uwzględnienia masy i atmosfery. Zestawienie ich liczby w różnych jasnościach z modelami może więc ujawnić nie tylko pojedynczy „wiek”, lecz także zmiany tempa powstawania gwiazd w czasie. Zegar jednego obiektu po rozszerzeniu do całej populacji staje się archiwum historii gwiazdotwórczej.