白矮星

白矮星

白矮星(White Dwarf,也稱為簡並矮星)是一種低光度、高密度、高溫度的恆星。因為它的顏色呈白色、體積比較矮小,因此被命名為白矮星。

白矮星是演化到末期的恆星,主要由碳構成,外部覆蓋一層氫氣與氦氣。白矮星在億萬年的時間裏逐漸冷卻、變暗,它體積小,亮度低,但密度高,質量大。

1982年出版的白矮星星表表明,銀河系中有488顆白矮星,它們都是離太陽不遠的近距天體。根據觀測資料統計,大約有3%的恆星是白矮星,但理論分析與推算認為,白矮星應佔全部恆星的10%左右。

2015年3月15日,澳大利亞天文愛好者在射手座的中心位置發現了新星,亮度為+6等。目前,這顆新星的亮度還在不斷增加。未來的數天至數周是最佳觀測時機。

  • 中文名稱
    白矮星
  • 外文名稱
    White dwarf
  • 類別
    恆星
  • 特點
    呈白色、體積比較矮小
  • 密度
    1000萬噸/立方米左右
  • 特質
    低光度、高密度、高溫度
  • 亮度
    240000000cd/m 2
  • 質量
    2.213248萬億噸

簡介

定義

白矮星-結構模型圖白矮星-結構模型圖

白矮星-結構模型圖

白矮星:也稱為簡並矮星一種由電子之間不相容原理排斥力所支持的穩定恆星,是由電子簡並物質構成的小恆星。

表面重力

根據白矮星的半徑和質量,可以算出它的表面重力等于地球表面的1000萬-10億倍。在這樣高的壓力下,任何物體都已不復存在,連原子都被壓碎了:電子脫離了原子軌道變為自由電子。

原子-內部組成的粒子圖原子-內部組成的粒子圖

原子-內部組成的粒子圖

形成過程

當紅巨星的外部區域迅速膨脹時,氦核受反作用力卻強烈向內收縮,被壓縮的物質不斷變熱,最終核心溫度將超過一億度,于是氦開始聚變成碳。(右上圖編輯:張嘉年)

經過幾百萬年,氦核燃燒殆盡,現在恆星的結構組成已經不那麽簡單了:外殼仍然是以氫為主的混合物,而在它下面有一個氦層,氦層內部還埋有一個碳球。核反應過程變得更加復雜,中心附近的溫度繼續上升,最終使碳轉變為其他元素。

與此同時,紅巨星外部開始發生不穩定的脈動振蕩:恆星半徑時而變大,時而又縮小,穩定的主星序恆星變為極不穩定的巨大火球,火球內部的核反應也越來越趨于不穩定,忽而強烈,忽而微弱。此時的恆星內部核心實際上密度已經增大到每立方釐米十噸左右,我們可以說,此時,在紅巨星內部,已經誕生了一顆白矮星。

是由質量較小的恆星形成的。

密度

原子

原子核的組成粒子原子核的組成粒子

原子核的組成粒子

我們知道,原子是由原子核和電子組成的,原子的質量絕大部分集中在原子核上,而原子核的體積很小。比如氫原子的半徑為一億分之一釐米,而氫原子核的半徑隻有十萬億分之一釐米。假如核的大小像一顆玻璃球,則電子軌道將在兩公裏以外。

白矮星是一種很特殊的天體,它的體積小、亮度低,但質量大、密度極高。比如天狼星伴星(它是最早被發現的白矮星),體積比地球大不了多少,但質量卻和太陽差不多!也就是說,它的密度在1000萬噸/立方米左右。

自由電子

自由電子-模型圖自由電子-模型圖

自由電子-模型圖

而在巨大的壓力之下,電子將脫離原子核,成自由電子。這種自由電子氣體將盡可能地佔據原子核之間的空隙,從而使單位空間內包含的物質也將大大增多,密度大大提高了。形象地說,這時原子核是"沉浸于"電子中。根據白矮星的半徑和質量,可以算出它的表面重力等于地球表面的1000萬-10億倍。在這樣高的壓力下,任何物體都已不復存在,連原子都被壓碎了:電子脫離了原子軌道變為自由電子

電子簡並態

中子星-模型圖中子星-模型圖

中子星-模型圖

一般把物質的這種狀態叫做"電子簡並態"。電子簡並壓與白矮星強大的重力平衡,維持著白矮星的穩定。順便提一下,當白矮星質量進一步增大,電子簡並壓就有可能抵抗不住自身的引力收縮,白矮星還會坍縮成密度更高的天體:中子星或黑洞。對單星系統而言,由于沒有熱核反應來提供能量,白矮星在發出光熱的同時,也以同樣的速度冷卻著。經過一百億年的漫長歲月,年老的白矮星將漸漸停止輻射而死去。它的軀體變成一個比鑽石還硬的巨大晶體--黑矮星而永存。

白矮星吃彗星白矮星吃彗星

白矮星吃彗星

而對于多星系統,白矮星的演化過程則有可能被改變(例如雙星)。

特點

概況

白矮星屬于演化到晚年期的恆星。恆星在演化後期,拋射出大量的物質,經過大量的質量損失後,如果剩下的的質量小于1.44個太陽質量,這顆恆星便可能演化成為白矮星。對白矮星的形成也有人認為,白矮星的前身可能是行星狀星雲(是宇宙中由高溫氣體、少量塵埃等組成的環狀或圓盤狀的物質,它的中心通常都有一個溫度很高的恆星──中心星,它的核能源已經基本耗盡,整個星體開始慢慢冷卻、晶化,直至最後"死亡"。

矮星,也稱為簡並矮星,是由電子簡並物質構成的小恆星。它們的密度極高,一顆質量與太陽相當的白矮星體積隻有地球一般的大小,微弱的光度則來自過去儲存的熱能。在太陽附近的區域內已知的恆星中大約有6%是白矮星。這種異常微弱的白矮星大約在1910年就被亨利·諾瑞斯·羅素、艾德華·查爾斯·皮克林和威廉·佛萊明等人註意到[3], p. 1白矮星的名字是威廉·魯伊登在1922年取的。白矮星被認為是低質量恆星演化階段的最終產物,在我們所屬的星系內97%的恆星都屬于這一類。,

中低質量的恆星在渡過生命期的主序星階段,結束以氫融合反應之後,將在核心進行氦融合,將氦燃燒成碳和氧的3氦過程,並膨脹成為一顆紅巨星。如果紅巨星沒有足夠的質量產生能夠讓碳燃燒的更高溫度,碳和氧就會在核心堆積起來。在散發出外面數層的氣體成為行星狀星雲之後,留下來的隻有核心的部份,這個殘骸最終將成為白矮星。因此,白矮星通常都由碳和氧組成。但也有可能核心的溫度可以達到燃燒碳卻仍不足以燃燒氖的高溫,這時就能形成核心由氧、氖和鎂組成的白矮星。同樣的,有些由氦組成的白矮星是由聯星的質量損失造成的。

白矮星的內部不再有物質進行核融合反應,因此恆星不再有能量產生,也不再由核融合的熱來抵抗重力崩潰;它是由極端高密度的物質產生的電子簡並壓力來支撐。物理學上,對一顆沒有自轉的白矮星,電子簡並壓力能夠支撐的最大質量是1.44倍太陽質量,達到後,它將坍縮為一個黑洞(錢德拉塞卡極限)。許多碳氧白矮星的質量都接近這個極限的質量,通常經由伴星的質量傳遞,可能經由所知道的碳引爆過程爆炸成為一顆Ia超新星

白矮星形成時的溫度非常高,但是因為沒有能量的來源,因此將會逐漸釋放它的熱量並且逐漸變冷(溫度降低),這意味著它的輻射會從最初的高色溫隨著時間逐漸減小並且轉變成紅色。經過漫長的時間,白矮星的溫度將冷卻到光度不再能被看見,而成為冷的黑矮星。但是,現在的宇宙仍然太年輕 (大約137億歲),即使是最年老的白矮星依然輻射出數千度K的溫度,還不可能有黑矮星的存在。

特征

白矮星具有這樣一些特征:

白矮星(藝術想像圖)白矮星(藝術想像圖)

白矮星(藝術想像圖)

(1)體積小,它的半徑接近于行星半徑,平均小于10的3次方千米

(2)光度(恆星每秒鍾內輻射的總能量,即恆星發光本領的大小)非常小,是正常恆星平均的10的3次方分之一

(3)質量小于1.44個太陽質量

(4)白矮星密度高達1,000,000 g/cm3(地球密度為5.5g/cm3),一顆與地球體積相當的白矮星(比如說天狼星的鄰星Sirius B)的表面重力約等于地球表面的18萬倍。假如人能到達白矮星表面,那麽他休想站起來,因為在它上面的引力特別大,以致人的骨骼早已被自己的體重壓碎了。

(5)白矮星的表面溫度很高,平均為10的3次方

(6)白矮星的磁場高達10的5次方--10的7次方高斯。

數量

目前人們已經觀測發現的白矮星有1000多顆。天狼星(Sirius)的伴星是第一顆被人們發現的白矮星,也是所觀測到的最亮的白矮星(8等星)。1982年出版的白矮星星表表明,銀河系中有488顆白矮星,它們都是離太陽不遠的近距天體。根據觀測資料統計,大約有3%的恆星是白矮星,但理論分析與推算認為,白矮星應佔全部恆星的10%左右。

白矮星是恆星演化末期產生的天體。這些恆星不能維持核聚變反應,所以在經過氦(He)閃進化到紅巨星階段之後,他們會將外殼拋出形成行星狀星雲,而留下一個核聚變產生的的高密度核心,即白矮星。

由于缺乏能量的來源,白矮星會逐步釋放熱能而發光而冷卻。其核心靠電子的斥力對抗重力,其密度可達每立方釐米十噸。電子斥力不足以支持超過1.44倍太陽質量的白矮星,外殼的重力會進一步使恆星塌縮成中子星或者黑洞。這個過程中經常伴隨著超新星爆發。

釋放能量會造成恆星逐步冷卻,表面溫度逐漸降低,恆星的顏色也會隨之變化。經過數千億年之後,白矮星會冷卻到無法發光,成為黑矮星。但是目前普遍認為宇宙的年齡(138億年)不足以使任何白矮星演化到這一階段。

形成

白矮星是中低質量的恆星的演化路線的終點。在紅巨星階段的末期,恆星的中心會因為溫度、壓力不足或者核聚變達到鐵階段而停止產生能量(產生比鐵還重的元素不能產生能量,而需要吸收能量)。恆星外殼的重力會壓縮恆星產生一個高密度的天體。

人馬座白矮星BPM37093的鑽石核心

一個典型的穩定獨立白矮星具有大約半個太陽質量,比地球略大。這種密度僅次于中子星和誇剋星。如果白矮星的質量超過1.44倍太陽質量,那麽原子核之間的電荷斥力不足以對抗重力,電子會被壓入原子核而形成中子星。

大部分恆星的演化過程都包含白矮星階段。由于很多恆星會通過新星或者超新星爆發將外殼拋出,一些質量略大的恆星也可能最終演化成白矮星。

雙星或者多星系統中,由于星際物質的交換,恆星的演化過程可能與單獨的恆星不同,例如天狼星的伴星就是一顆年老的大約一個太陽質量的白矮星,但是天狼星是一顆大約2.3個太陽質量的主序星。

誇剋星-模型圖誇剋星-模型圖

誇剋星-模型圖

螺旋

在大約1,600光年遠的一個叫做J0806的非常著名的雙星系統裏,兩個致密的白矮星每321秒繞各自的軌道旋轉一周。錢德拉天文台天文學家的X射線波段資料發現了它們。

白矮星相撞

下深刻印象的觀點:這兩顆白矮星的短軌道周期處于一種穩定的狀態,當他們的螺旋湊的越近,他們的周期越短。即使它們是分開有80,000公裏的兩個星(地球與月亮的距離是400,000 公裏),它們也註定要合並的。根據這個藝術家般的觀點描述,著名的J0806系統螺旋毀滅的原因便是同愛因斯坦相對論中預言的那樣:白矮星由于重力波產生的影響而最終喪失它的軌道能量。事實上,J0806可能是我們銀河系重力波最明亮的光源之一,可以直接利用未來設立在太空的重力波工具捕獲。

這兩顆白矮星會很快碰撞合並在一起,如果質量足夠大,就會演變成中子星; 如果質量不到1.44倍太陽的質量,那麽合並成一個"大的"白矮星。

歷史發現

1892年,Alvan Graham Clark發現了天狼星的伴星。根據對恆星資料的分析,這個伴星的質量約一個太陽質量,表面溫度大約25000K,但是其光度大約是天狼星的萬分之一,所以根據光度和表面積的關系,推斷出其大小與地球相當。這樣的密度是地球上的物質達不到的。1917年,Adriaan Van Maanen發現了目前已知離太陽最近的白矮星Van Maanen星。

在二十世紀初由Max Planck等人發展出量子理論之後,Ralph H. Fowler于1926年建立了一個基于費米-狄拉克統計的解釋白矮星的密度的理論。

1930年,蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡(印度)發現了白矮星的質量上限(錢德拉塞卡極限),並因此獲得1983年的諾貝爾物理學獎。

太陽變白矮星

現在的太陽上,絕大多數的氫正逐漸燃燒轉變為氦,可以說太陽正處

于最穩定的主序星階段。對太陽這樣質量的恆星而言,主序星階段約可持續110億年。恆星由于放出光而慢慢地在收縮,而在收縮過程中,中心部分的密度就會增加,壓力也會升高,使得氫會燃燒得更厲害,這樣一來溫度就會升高,太陽的亮度也會逐漸增強。太陽自從45億年前進入主序星階段到現在,太陽光的亮度增強了30%,預計今後還會繼續增強,使地球溫度不斷升高。65億年後,當太陽的主序星階段結束時,預計太陽光的亮度將是現在的2.2倍,而地球的平均溫度要比現在高60℃左右。屆時就算地球上仍有海水,恐怕也快被蒸發光了。若僅從平均溫度來看,火星反而會是最適宜人類居住的星球。在主序星階段,因恆星自身引力而造成收縮的這股向內的力和因燃燒而引起的向外的力會互相牽製而達到平衡。但在65億年後,太陽中心部分的氫會燃盡,最後隻剩下其周圍的球殼狀部分有氫燃燒。在球殼內不再燃燒的區域,由于抵消引力的向外的力減弱而開始急速收縮,此時太陽會越來越亮,球殼外側部分因受到影響而導致溫度升高並開始膨脹,這便是另一個階段--紅巨星階段的開始。紅巨星階段會持續數億年,其間太陽的亮度會達到現在的2000倍,木星和土星周圍的溫度也會升高,木星的冰衛星以及作為土星特征的環都會被蒸發得無影無蹤,最後,太陽的外層部分甚至會膨脹到現在的地球軌道附近。

白矮星白矮星

另一方面,從外層部分會不斷放出氣體,最終太陽的質量會減至主序星階段的60%。因太陽引力減弱之故,行星開始遠離太陽。當太陽質量減至原來的60%時,行星和太陽的距離要比現在擴大70%。這樣一來,雖然水星和金星被吞沒的可能性極大,但地球在太陽外層部分到達之前應該會拉大距離而存活下來,火星和木星型行星(木星,土星,天王星,海王星)也會存活下來。

像太陽這般質量的星球,在其密度已變得非常高的中心部分隻會收縮到一定程度,也就是溫度隻會升高到某種程度,中心部分的火會漸漸消失。太陽逐漸失去光芒,膨脹的外層部分將收縮,冷卻成致密的白矮星。通過紅巨星時代考驗而存留下來的行星將會繼續圍繞太陽運行,所有一切都將被凍結,最後太陽系迎接的將會是寂靜狀態的結束。

若太陽這種恆星變為白矮星,每秒自轉一周。密度至少為1.41*10^11 kg/m^3

第一宇宙速度約為7.9*10^3m/s

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任何一顆恆星都要面對生命終結的那一刻,毫無疑問,那將是一個真正的末日場景。在四十億至五十億年之後,我們的太陽也將消耗盡所有的燃料,屆時會演化成一個臃腫的紅巨星,在這個階段太陽將會變得異常巨大,位于軌道內側的行星會被火球吞噬,地球也未能幸免。此後太陽質量將大幅度降低,周圍瓦解成行星狀星雲。

最後留下一顆體積與地球相當的白矮星,而位于太陽系內側的行星在紅巨星階段被火球吞噬後,潮汐力的作用也將徹底摧毀火星軌道以內幸存的行星,它們變成一團巨大的塵埃或者碎片雲繼續墜入太陽核心。

目前,隸屬于美國國家航空航天局的哈勃空間望遠鏡獲得了關于這幅末日景象的觀測資料,來自沃裏克大學的天文學家們發現了四顆處于低質量恆星生命最後階段的白矮星在它們的外層大氣中包裹著行星狀塵埃雲,為我們提供了難得一見的太陽系未來將面對"末日景象"。

被一團行星狀星雲圍繞的白矮星是一種較為奇特的天文現象,中低質量的恆星如太陽在演變成紅巨星之後,無法維持較高的溫度以供氫和碳繼續燃燒,位于最外層的氣體將會逐漸變成行星狀星雲,而內部的一小顆如地球大小的物體就是燃燒剩下的殘骸,也就是白矮星。在這樣極為恐怖的恆星末日中,伴隨出現的極端潮汐力和動力學上的不穩定性足以粉碎處于內側軌道上的行星。而這四顆新發現的白矮星例子便是我們太陽系在未來數十億年後必然將經歷的場景。

科學家對這四顆白矮星進行了大氣分析,發現它們都存在氧、鎂、鐵以及矽元素,值得一提的是,這些元素都是白矮星周圍各種岩質行星的基本組成元素,更有趣的是,這四種元素在地球上佔到了93%。除了這些關鍵性的元素外,科學家還探測到碳元素在其中隻佔到較少的比例,這點與太陽系內岩質行星的碳元素比例相符。這同時也是首次在白矮星周圍的行星狀塵埃碎片中檢測到相似比例的碳元素含量。

雖然"類地行星"這個天文學上專有術語常常在一些系外行星探索的研究或者報道中被錯誤使用,但是沃裏克大學的天文學家們敏銳地意識到在白矮星周圍發現這些元素意味著什麽。我們地球大部分的質量由鐵、氧、矽以及鎂元素構成,而在中低質量恆星的晚年彌留之際形成的行星狀星雲中發現這些與地球極為相似的岩質行星元素殘骸,說明了我們已經看到了地球在數十億年之後註定要面對的末日情景。

本項研究的首席研究員鮑裏斯·甘斯克(Boris G?nsicke)認為:"我們今天看到的位于數百光年處的白矮星很可能是地球遙遠未來的真實寫照。"雖然我們目前對系外行星在主恆星滅亡時被吞噬或者在潮汐力作用下化為碎片塵埃的物理特征掌握地並不多,但可以肯定在是,所發現的碎片殘骸以及組成行星的基本元素,都可以在太陽系的行星中找到,比如水星、金星、地球、火星還有小行星,這些岩質具有陸地表面的行星,而現在它們存在于白矮星的塵埃之中。同時,這些元素的比例也是類地行星的基本配置。

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