KATAI PUTIH: KARAKTERISTIK, KOMPOSISI, FORMASI, JENIS - ARTE - 2025

Sebuah kerdil putih adalah bintang dalam tahap terakhir dari evolusi, yang telah digunakan semua hidrogen di intinya, serta bahan bakar dalam reaktor dalamnya. Dalam keadaan ini, bintang mendingin dan berkontraksi secara menakjubkan karena gravitasinya sendiri.

Ia hanya memiliki panas yang tersimpan selama keberadaannya, jadi bisa dikatakan, katai putih seperti bara api yang tersisa setelah memadamkan api unggun kolosal. Jutaan tahun harus berlalu sebelum nafas terakhir dari panasnya meninggalkannya, mengubahnya menjadi benda yang dingin dan gelap.

Gambar 1. Tampilan jarak dekat dari sistem biner Sirius A (bintang utama) dan Sirius B (katai putih) pada sinar-X yang diambil oleh Chandra. Sumber: Wikimedia Commons.

Penemuan

Meskipun mereka sekarang dikenal berlimpah, mereka tidak pernah mudah dikenali karena mereka sangat kecil.

Katai putih pertama ditemukan oleh William Herschel pada tahun 1783, sebagai bagian dari sistem bintang Eridani 40, di konstelasi Eridano, yang bintangnya paling terang adalah Achernar, terlihat di selatan (di belahan bumi utara) selama musim dingin.

40 Eridani terdiri dari tiga bintang, salah satunya, 40 Eridane A. terlihat dengan mata telanjang, tetapi 40 Eridani B dan 40 Eridani C jauh lebih kecil. B adalah katai putih, sedangkan C adalah katai merah.

Bertahun-tahun kemudian, setelah penemuan sistem 40 Eridani, astronom Jerman Friedrich Bessel menemukan pada tahun 1840 bahwa Sirius, bintang paling terang di Canis Major, memiliki pendamping yang bijaksana.

Bessel mengamati sinuositas kecil di lintasan Sirius, yang penjelasannya tidak lain adalah kedekatan bintang lain yang lebih kecil. Itu disebut Sirius B, sekitar 10.000 kali lebih redup daripada Sirius A.

Ternyata Sirius B sekecil atau lebih kecil dari Neptunus, tetapi dengan kepadatan yang sangat tinggi dan suhu permukaan 8000 K. Dan karena radiasi Sirius B sesuai dengan spektrum putih, ia kemudian dikenal sebagai "katai putih".

Dan sejak saat itu, setiap bintang dengan karakteristik ini disebut demikian, meskipun katai putih juga bisa berwarna merah atau kuning, karena memiliki variasi suhu, putih adalah yang paling umum.

karakteristik

Hingga saat ini, sekitar 9.000 bintang yang diklasifikasikan sebagai katai putih telah didokumentasikan, menurut Sloan Digital Sky Survey (SDSS), sebuah proyek yang didedikasikan untuk membuat peta tiga dimensi rinci dari alam semesta yang diketahui. Seperti yang telah kami katakan, mereka tidak mudah ditemukan karena luminositasnya yang lemah.

Ada cukup banyak katai putih di sekitar Matahari, banyak di antaranya ditemukan oleh astronom G. Kuyper dan W. Luyten pada awal tahun 1900-an. Karenanya, karakteristik utamanya telah dipelajari dengan relatif mudah, sesuai dengan teknologi yang ada.

Yang paling menonjol adalah:

- Ukurannya kecil, sebanding dengan planet.

- Kepadatan tinggi.

- Luminositas rendah.

- Suhu di kisaran 100000 dan 4000 K.

- Mereka memiliki medan magnet.

- Mereka memiliki atmosfer hidrogen dan helium.

- Medan gravitasi yang kuat.

- Kehilangan energi yang rendah karena radiasi, itulah sebabnya mereka mendingin dengan sangat lambat.

Berkat suhu dan luminositasnya, diketahui bahwa jari-jarinya sangat kecil. Katai putih yang suhu permukaannya mirip dengan Matahari, hanya memancarkan seperseribu luminositasnya. Oleh karena itu, permukaan kurcaci harus sangat kecil.

Gambar 2. Sirius B dan planet Venus memiliki diameter yang kira-kira sama. Ditandai

Kombinasi suhu tinggi dan jari-jari kecil membuat bintang tampak putih, seperti yang disebutkan di atas.

Mengenai strukturnya, berspekulasi bahwa mereka memiliki inti padat yang bersifat kristal, dikelilingi oleh materi dalam bentuk gas.

Hal ini dimungkinkan karena transformasi berturut-turut yang terjadi di reaktor nuklir bintang: dari hidrogen menjadi helium, dari helium menjadi karbon, dan dari karbon menjadi unsur yang lebih berat.

Ini kemungkinan nyata, karena suhu di inti katai cukup rendah untuk keberadaan inti yang padat.

Faktanya, sebuah katai putih yang diyakini memiliki inti berlian berdiameter 4.000 km baru-baru ini ditemukan, terletak di konstelasi Alpha Centauri, 53 tahun cahaya dari Bumi.

Kepadatan katai putih

Pertanyaan tentang kepadatan katai putih menyebabkan kekhawatiran besar di antara para astronom di akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20. Perhitungan menunjukkan kepadatan yang sangat tinggi.

Katai putih dapat memiliki massa hingga 1,4 kali massa Matahari kita, jika dikompresi menjadi seukuran Bumi. Dengan cara ini, kepadatannya satu juta kali lebih besar dari pada air dan itulah yang menopang katai putih. Bagaimana itu mungkin?

Mekanika kuantum menyatakan bahwa partikel seperti elektron hanya dapat menempati tingkat energi tertentu. Ada juga prinsip yang membatasi susunan elektron di sekitar inti atom: prinsip pengecualian Pauli.

Menurut sifat materi ini, tidak mungkin dua elektron memiliki keadaan kuantum yang sama dalam sistem yang sama. Dan lebih jauh lagi, dalam materi biasa tidak semua tingkat energi yang diizinkan biasanya terisi, hanya beberapa saja.

Hal ini menjelaskan mengapa massa jenis zat-zat terestrial hanya berada di urutan beberapa gram per sentimeter kubik.

Materi yang merosot

Setiap tingkat energi menempati volume tertentu, sehingga wilayah yang menempati satu tingkat tidak tumpang tindih dengan yang lain. Dengan cara ini, dua tingkat dengan energi yang sama dapat hidup berdampingan tanpa masalah, selama keduanya tidak tumpang tindih, karena ada kekuatan degenerasi yang mencegahnya.

Ini menciptakan semacam penghalang kuantum yang membatasi kontraksi materi dalam sebuah bintang, menciptakan tekanan yang mengkompensasi keruntuhan gravitasi. Ini menjaga integritas katai putih.

Sementara itu, elektron mengisi semua posisi energi yang memungkinkan, dengan cepat mengisi posisi energi terendah dan hanya yang memiliki energi tertinggi yang tersedia.

Dalam keadaan ini, dengan semua keadaan energi terisi, materi berada dalam keadaan yang dalam Fisika disebut keadaan merosot. Ini adalah keadaan kepadatan maksimum yang mungkin, menurut prinsip pengecualian.

Tetapi karena ketidakpastian pada posisi △ x elektron adalah minimal, karena kerapatan yang tinggi, menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg, ketidakpastian pada momen linier △ p akan sangat besar, untuk mengimbangi kecilnya △ x dan memenuhi Begitu:

△ x △ p ≥ ћ / 2

Di mana ћ adalah h / 2π, di mana h adalah konstanta Planck. Dengan demikian, kecepatan elektron mendekati kecepatan cahaya dan tekanan yang diberikannya meningkat, karena tumbukan juga meningkat.

Tekanan kuantum ini, disebut tekanan Fermi, tidak bergantung pada suhu. Inilah sebabnya mengapa katai putih dapat memiliki energi pada suhu berapa pun, termasuk nol mutlak.

Evolusi

Berkat pengamatan astronomi dan simulasi komputer, pembentukan bintang khas seperti Matahari kita dilakukan sebagai berikut:

- Pertama, gas dan debu kosmik yang melimpah dalam hidrogen dan helium mengembun karena gravitasi, menghasilkan protobintang, sebuah objek bintang muda. Protobintang adalah bola yang berkontraksi dengan cepat, yang suhunya meningkat secara bertahap selama jutaan tahun.

- Setelah massa kritis tercapai dan suhu meningkat, reaktor nuklir dihidupkan di dalam bintang. Ketika ini terjadi, fusi hidrogen dimulai dan bintang bergabung dengan apa yang disebut deret utama (lihat gambar 3).

- Seiring waktu, hidrogen di dalam inti atom habis dan penyalaan hidrogen di lapisan terluar bintang dimulai, serta helium di dalam inti.

- Bintang mengembang, kecerahannya bertambah, suhunya berkurang, dan berubah menjadi merah. Ini adalah fase raksasa merah.

- Lapisan terluar bintang terlepas berkat angin bintang dan membentuk nebula planet, meski tidak ada planet di dalamnya. Nebula ini mengelilingi inti bintang (jauh lebih panas), yang, setelah cadangan hidrogen habis, mulai membakar helium untuk membentuk unsur yang lebih berat.

- Nebula menghilang, meninggalkan inti yang berkontraksi dari bintang aslinya, yang menjadi katai putih.

Meskipun fusi nuklir telah berhenti meskipun masih memiliki material, bintang tersebut masih memiliki cadangan panas yang luar biasa, yang memancarkan sangat lambat oleh radiasi. Fase ini berlangsung lama (sekitar 10 ¹⁰ tahun, perkiraan umur alam semesta).

- Setelah dingin, cahaya yang dipancarkannya menghilang sepenuhnya dan katai putih menjadi katai hitam.

Gambar 3. Siklus hidup bintang. Sumber: Wikimedia Commons. RN Bailey

Evolusi Matahari

Kemungkinan besar, Matahari kita, karena karakteristiknya, melewati tahapan yang dijelaskan. Saat ini Matahari adalah bintang dewasa dalam deret utama, tetapi semua bintang akan meninggalkannya pada suatu saat, cepat atau lambat, meskipun sebagian besar hidup mereka dihabiskan di sana.

Ini akan memakan waktu jutaan tahun untuk memasuki tahap raksasa merah berikutnya. Ketika itu terjadi, Bumi dan planet-planet dalam lainnya akan ditelan oleh Matahari yang terbit, tetapi sebelum itu, lautan kemungkinan besar telah menguap dan Bumi akan menjadi gurun.

Tidak semua bintang melalui tahapan ini. Itu tergantung massanya. Mereka yang jauh lebih masif dari Matahari memiliki akhir yang jauh lebih spektakuler karena mereka berakhir sebagai supernova. Sisa dalam hal ini dapat berupa objek astronomi yang aneh, seperti lubang hitam atau bintang neutron.

Batas Chandrasekhar

Pada tahun 1930, astrofisikawan Hindu berusia 19 tahun bernama Subrahmanyan Chandrasekhar menentukan keberadaan massa kritis di bintang.

Bintang yang massanya di bawah nilai kritis ini mengikuti lintasan katai putih. Tetapi jika massanya melebihi batas, hari-harinya akan berakhir dengan ledakan kolosal. Ini adalah batas Chandrasekhar dan kira-kira 1,44 kali massa Matahari kita.

Ini dihitung sebagai berikut:

Di sini N adalah jumlah elektron per satuan massa, ћ adalah konstanta Planck dibagi 2π, c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa dan G adalah konstanta gravitasi universal.

Ini tidak berarti bahwa bintang yang lebih besar dari Matahari tidak bisa menjadi katai putih. Selama berada di deret utama, bintang terus-menerus kehilangan massanya. Ia juga melakukannya pada raksasa merah dan tahap nebula planet.

Di sisi lain, setelah berubah menjadi katai putih, gravitasi kuat bintang tersebut dapat menarik massa dari bintang lain di dekatnya dan meningkatkan massa miliknya. Setelah batas Chandrasekhar terlampaui, akhir dari bintang kerdil - dan bintang lainnya - mungkin tidak selambat yang dijelaskan di sini.

Kedekatan ini dapat memulai kembali reaktor nuklir yang telah punah dan menyebabkan ledakan supernova yang luar biasa (supernova Ia).

Komposisi

Ketika hidrogen dalam inti sebuah bintang telah diubah menjadi helium, ia mulai menggabungkan atom karbon dan oksigen.

Dan ketika cadangan helium habis, katai putih terutama terdiri dari karbon dan oksigen, dan dalam beberapa kasus neon dan magnesium, asalkan nukleus memiliki tekanan yang cukup untuk mensintesis unsur-unsur ini.

Gambar 4. Bintang AE Aquarii adalah katai putih yang berdenyut. Sumber: NASA melalui Wikimedia commons.

Mungkin katai memiliki atmosfer helium atau hidrogen yang tipis, karena karena gravitasi permukaan bintang yang tinggi, unsur-unsur berat cenderung terakumulasi di tengah, meninggalkan unsur-unsur yang lebih ringan di permukaan.

Pada beberapa katai, atom neon bahkan dapat melebur dan membuat inti besi padat.

Latihan

Seperti yang telah kita bahas di paragraf sebelumnya, katai putih terbentuk setelah bintang menghabiskan cadangan hidrogennya. Kemudian ia membengkak dan mengembang dan kemudian mengeluarkan materi dalam bentuk nebula planet, meninggalkan nukleus di dalamnya.

Inti ini, terdiri dari materi yang merosot, yang dikenal sebagai bintang katai putih. Setelah reaktor fusi dimatikan, ia berkontraksi dan mendingin perlahan, kehilangan semua energi termal dan luminositasnya.

Jenis katai putih

Untuk mengklasifikasikan bintang, termasuk katai putih, digunakan tipe spektral, yang bergantung pada suhu. Untuk menamai bintang katai, digunakan huruf besar D, diikuti oleh salah satu huruf berikut: A, B, C, O, Z, Q, X. Huruf-huruf lain ini: P, H, E dan V menunjukkan rangkaian karakteristik lain, banyak lebih khusus.

Masing-masing huruf ini menunjukkan fitur spektrum yang menonjol. Misalnya, bintang DA adalah katai putih yang spektrumnya memiliki garis hidrogen. Dan katai DAV memiliki garis hidrogen dan, lebih lanjut, V menunjukkan bahwa ia adalah bintang variabel atau bintang yang berdenyut.

Akhirnya, angka antara 1 dan 9 ditambahkan ke rangkaian huruf untuk menunjukkan indeks suhu n:

n = 50400 / T efektif bintang

Klasifikasi lain dari katai putih didasarkan pada massanya:

- Sekitar 0,5 M Matahari

- Massa rata-rata: antara 0,5 dan 8 kali M Sol

- Antara 8 dan 10 kali massa Matahari.

Contoh katai putih

- Sirius B di konstelasi Can Major, pendamping Sirius A, bintang paling terang di langit malam. Itu adalah katai putih terdekat dari semuanya.

- AE Aquarii adalah katai putih yang memancarkan pulsa sinar-X.

- 40 Eridani B, jauh 16 tahun cahaya. Itu bisa diamati dengan teleskop

- HL Tau 67 termasuk dalam konstelasi Taurus dan merupakan katai putih variabel, yang pertama ditemukan dari jenisnya.

- DM Lyrae adalah bagian dari sistem biner dan merupakan katai putih yang meledak sebagai nova di abad ke-20.

- WD B1620 adalah katai putih yang juga termasuk dalam sistem biner. Bintang pendamping adalah bintang yang berdenyut. Dalam sistem ini terdapat planet yang mengorbit keduanya.

- Procyon B, pendamping Procyon A, di konstelasi Anjing Kecil.

Gambar 5. Sistem biner Procyon, katai putih adalah titik kecil di sebelah kanan. Sumber: Giuseppe Donatiello via Flickr.

Referensi

1. Carroll, B. Pengantar Astrofisika Modern. 2nd. Edisi. Pearson.
2. Martínez, D. Evolusi bintang. Dipulihkan dari: Google Buku.
3. Olaizola, I. Para kurcaci putih. Diperoleh dari: telesforo.aranzadi-zientziak.org.
4. Oster, L. 1984. Astronomi Modern. Pembalikan Editorial.
5. Wikipedia. Katai Putih. Diperoleh dari: es. wikipedia.org.
6. Wikipedia. Daftar Katai Putih. Dipulihkan dari en.wikipedia.org.