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白矮星

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概述编辑本段回目录

白矮星白矮星
白矮星是一种很特殊的天体,它的体积小、亮度低,但质量大、密度极高。比如天狼星伴星(它是最早被发现的白矮星),体积比地球大不了多少,但质量却和太阳差不多!也就是说,它的密度在1000万吨/立方米左右。根据白矮星的半径和质量,可以算出它的表面重力等于地球表面的1000万-10亿倍。在这样高的压力下,任何物体都已不复存在,连原子都被压碎了:电子脱离了原子轨道变为自由电子

白矮星是一种晚期的恒星。根据现代恒星演化理论,白矮星是在红巨星的中心形成的。当红巨星的外部区域迅速膨胀时,氦核受反作用力却强烈向内收缩,被压缩的物质不断变热,最终内核温度将超过一亿度,于是开始聚变成碳。经过几百万年,氦核燃烧殆尽,现在恒星的结构组成已经不那么简单了:外壳仍然是以氢为主的混和物;而在它下面有一个氦层,氦层内部还埋有一个碳球。核反应过程变得更加复杂,中心附近的温度继续上升,最终使转变为其他元素。

白矮星內部結構圖白矮星內部結構圖

与此同时,红巨星外部开始发生不稳定的脉动振荡:恒星半径时而变大,时而又缩小,稳定的主星序恒星变为极不稳定的巨大火球,火球内部的核反应也越来越趋于不稳定,忽而强烈,忽而微弱。此时的恒星内部核心实际上密度已经增大到每立方厘米十吨左右,我们可以说,此时,在红巨星内部,已经诞生了一颗白矮星。人们知道,原子是由原子核和电子组成的,原子的质量绝大部分集中在原子核上,而原子核的体积很小。比如氢原子的半径为一亿分之一厘米,而原子核的半径只有十万亿分之一厘米。假如核的大小象一颗玻璃球,则电子轨道将在两公里以外。

(右圖繪製:張嘉年)

历史编辑本段回目录

1892年,Alvan Graham Clark发现了天狼星的伴星。根据对恒星数据的分析,这个伴星的质量约一个太阳质量,表面温度大约25000K,但是其光度大约是天狼星的万分之一,所以根据光度和表面积的关系,推断出其大小与地球相当。这样的密度是地球上的物质达不到的。1917年,Adriaan Van Maanen发现了目前已知离太阳最近的白矮星Van Maanen星。

在二十世纪初由Max Planck等人发展出量子理论之后,Ralph H. Fowler于1926年建立了一个基于费米-狄拉克统计的解释白矮星的密度的理论。

1930年,苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡发现了白矮星的质量上限(钱德拉塞卡极限),并因此获得1983年的诺贝尔物理学奖

密度编辑本段回目录

白矮星白矮星

原子是由原子核电子组成的,原子的质量绝大部分集中在原子核上,而原子核的体积很小。比如氢原子的半径为一亿分之一厘米,而氢原子核的半径只有十万亿分之一厘米。假如核的大小像一颗玻璃球,则电子轨道将在两公里以外。

而在巨大的压力之下,电子将脱离原子核,成自由电子。这种自由电子气体将尽可能地占据原子核之间的空隙,从而使单位空间内包含的物质也将大大增多,密度大大提高了。形象地说,这时原子核是“沉浸于”电子中。

一般把物质的这种状态叫做“简并态”。简并电子气体压力与白矮星强大的重力平衡,维持着白矮星的稳定。顺便提一下,当白矮星质量进一步增大,简并电子气体压力就有可能抵抗不住自身的引力收缩,白矮星还会坍缩成密度更高的天体:中子星或黑洞。

对单星系统而言,由于没有热核反应来提供能量,白矮星在发出光热的同时,也以同样的速度冷却着。经过一百亿年的漫长岁月,年老的白矮星将渐渐停止辐射而死去。它的躯体变成一个比钻石还硬的巨大晶体——黑矮星而永存。

而对于多星系统,白矮星的演化过程则有可能被改变。[1]

形成编辑本段回目录

白矮星白矮星
白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点。在红巨星阶段的末期,恒星的中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段而停止产生能量(产生比铁还重的元素不能产生能量,而需要吸收能量)。恒星外壳的重力会压缩恒星产生一个高密度的天体。一个典型的稳定独立白矮星具有大约半个太阳质量,比地球略大。这种密度仅次于中子星和夸克星。如果白矮星的质量超过1.4倍太阳质量,那么原子核之间的电荷斥力不足以对抗重力,电子会被压入原子核而形成中子星

大部分恒星的演化过程都包含白矮星阶段。由于很多恒星会通过新星或者超新星爆发将外壳抛出,一些质量略大的恒星也可能最终演化成白矮星。双星或者多星系统中,由于星际物质的交换,恒星的演化过程可能与单独的恒星不同,例如天狼星的伴星就是一颗年老的大约一个太阳质量的白矮星,但是天狼星是一颗大约2.3个太阳质量的主序星。

特征编辑本段回目录

白矮星白矮星
1、体积小,它的半径接近于行星半径,平均小于103千米。

2、光度(恒星每秒钟内辐射的总能量,即恒星发光本领的大小)非常小,要比正常恒星平均暗103倍。

3、质量小于1.44个太阳质量。

4、密度高达106~107克/厘米3,其表面的重力加速度大约等于地球表面重力加速度的10倍到104倍。假如人能到达白矮星表面,那么他休想站起来,因为在它上面的引力特别大,以致人的骨骼早已被自己的体重压碎了。

5、白矮星的表面温度很高,平均为103℃。

6、白矮星的磁场高达105~107高低

目前人们已经观测发现的白矮星有1000多颗。天狼星(Sirius)的伴星是第一颗被人们发现的白矮星,也是所观测到的最亮的白矮星(8等星)。1982年出版的白矮星星表表明,银河系中有488颗白矮星,它们都是离太阳不远的近距天体。根据观测资料统计,大约有3%的恒星是白矮星,但理论分析与推算认为,白矮星应占全部恒星的10%左右。

目前人们已经观测发现的白矮星有1000多颗。天狼星(Sirius)的伴星是第一颗被人们发现的白矮星,也是所观测到的最亮的白矮星(8等星)。1982年出版的白矮星星表表明,银河系中有488颗白矮星,它们都是离太阳不远的近距天体。根据观测资料统计,大约有3%的恒星是白矮星,但理论分析与推算认为,白矮星应占全部恒星的10%左右。

原子是由原子核和电子组成的,原子的质量绝大部分集中在原子核上,而原子核的体积很小。比如氢原子的半径为一亿分之一厘米,而氢原子核的半径只有十万亿分之一厘米。假如核的大小象一颗玻璃球,则电子轨道将在两公里以外。

 而在巨大的压力之下,电子将脱离原子核,成自由电子。这种自由电子气体将尽可能地占据原子核之间的空隙,从而使单位空间内包含的物质也将大大增多,密度大大提高了。形象地说,这时原子核是“沉浸于”电子中。

一般把物质的这种状态叫做“简并态”。简并电子气体压力与白矮星强大的重力平衡,维持着白矮星的稳定。当白矮星质量进一步增大,简并电子气体压力就有可能抵抗不住自身的引力收缩,白矮星还会坍缩成密度更高的天体:中子星或黑洞。

白矮星是恒星演化末期产生的天体。这些恒星不能维持核聚变反应,所以在经过氦(He)闪进化到红巨星阶段之后,他们会将外壳抛出形成行星状星云,而留下一个核聚变产生的的高密度核心,即白矮星。

由于缺乏能量的来源,白矮星会逐步释放热能而发光而冷却。其核心靠电子的斥力对抗重力,其密度可达每立方厘米十吨。电子斥力不足以支持超过1.4倍太阳质量的白矮星,外壳的重力会进一步使恒星塌缩成中子星或者黑洞。这个过程中经常伴随着超新星爆发。

释放能量会造成恒星逐步冷却,表面温度逐渐降低,恒星的颜色也会随之变化。经过数千亿年之后,白矮星会冷却到无法发光,成为黑矮星。但是目前普遍认为宇宙的年龄(150亿年)不足以使任何白矮星演化到这一阶段。

白矮星螺旋 编辑本段回目录

白矮星NGC2440星云白矮星
在大约1.600光年远的一个叫做J0806的非常著名的双星系统里,两个致密的白矮星每321秒绕各自的轨道旋转一周。钱德拉天文台天文学家的X射线波段数据分析反驳了一个已经给人留下深刻印象的观点:这两颗白矮星的短轨道周期处于一种稳定的状态,当他们的螺旋凑的越近,他们的周期越短。即使它们是分开有80.000公里的两个星(地球与月亮的距离是 400.000 公里),它们也注定要合并的。根据这个艺术家般的观点描述,著名的J0806系统螺旋毁灭的原因便是同爱因斯坦相对论中预言的那样:白矮星由于重力波产生的影响而最终丧失它的轨道能量。事实上,J0806可能是我们银河系重力波最明亮的光源之一,可以直接利用未来设立在太空的重力波工具捕获。

这两颗白矮星会很快碰撞合并在一起,如果质量足够大,就会演变成中子星;如果质量不到1.4倍太阳的质量,那么合并成一个大的白矮星。

新星和矮新星编辑本段回目录

白矮星白矮星

白矮星同新星和矮新星有密切的关系:许多新星和矮新星是双星,其中一个子星就是白矮星。这些新星和矮新星有一分钟到数十分钟的光度变化和X射线辐射,这可能同白矮星子星的脉动和物质吸积有关。目前的理论研究认为,白矮星是恒星演化的几种归宿之一:当恒星经过红巨星阶段发生大量质量损失后,剩下的质量若小于1.44个太阳质量,这颗恒星便穿过主星序而演化成白矮星。有人认为白矮星的前身可能是行星状星云的中心星,它的核能源已基本耗尽,整个星体开始慢慢冷却、晶化直至最后“死亡”。目前已观测到1.000颗以上的白矮星。根据统计资料估算,白矮星的总数约占全天恒星总数的3%,理论推算认为应占10%左右。在许多年老星团如毕星团中也发现了白矮星,这与目前的理论预言是相符的。白矮星具有很强的表面引力,因而很早就观测到了谱线的引力红移,从而为验证相对论提供了实测的数据。 

最新发现编辑本段回目录

迄今最为炽热的白矮星迄今最为炽热的白矮星

俄罗斯媒体报道,美国和德国天文学家近日发现了迄今最为炽热的白矮星,其表层温度高达20万度。在这颗星体周围还存在着数量众多的星体,它们大小不一,体积差别悬殊,最大的星体比最小的星体大数千倍。

美国和德国的天文学家表示,这颗最热的白矮星自1985年首次出现以来,就引起了天文学家们的高度关注,但是一直没能准确测算出其准确温度。通过多年努力,科学家们终于在近日成功测出了它的表层温度,令科学家们感到吃惊的是,其温度竟高达20万度,已远远超出目前所发现的所有星体的表层温度。欧洲航天局上周表示,他们发现了宇宙中迄今最为暗淡的星体。该星体的表层温度较低,仅为450度。由于温度较低,该星体呈现出暗褐色。此次美国和德国天文学家发现的最热星体与欧洲航天局发现的最暗淡的星体正好相反,形成鲜明的对比,进一步增添了天文学研究的神奇色彩。

早前,科学家们曾对这颗炽热的星体的表面温度进行过多次测算。第一次光谱分析的测量结果显示,该星体外壳最上层的温度异常的高,在8万至12万度之间。此外,另一些科学家们疑惑的是,在观测过程中科学家们虽然发现了一些与该星体特征相符的X射线,但是一直没能搞清这线射线的真正来源。科学家们将这颗星体命名为KPD 0005+5106,并表示,KPD 0005+5106还有许多问题值得深入地研究。

近几年来,约翰·霍普金斯大学的杰弗里·克鲁克与他的同事科拉乌斯·维内尔以及劳赫一直在跟踪研究这颗白矮星。他们对该星体的光线进行X光光谱分析后发现,在这些光谱线中存在氖-8的光谱线。-8光谱线的存在说明,这个星体的温度应超过15万度,并有可能达到20万度。现在,由美国和德国科学家组成的研究小组借助美国FUSE太空望远镜通过8年的观测研究,终于得到了准确的数据,并做出了结论。科学家表示,KPD 0005+5106星体不断向太空辐射出强度很大的紫外线,迄今为止,这一现象还没有在其他白矮星上出现过。该星体的紫外线辐射强度之大,以致于将其周边物质中的钙离子直接电离出来,这种电离程度非常强大。目前,在其它星体上还未发生过如此强劲的电离现象。科学家表示,钙离子的电离现象一般发生在20万度的环境中。这充分证明,此前科研人员通过光谱分析得出的结论完全正确。

白矮星是一种很特殊的天体,它的体积小、亮度低,但质量大、密度极高。根据白矮星的半径和质量推测,其表面重力相当于地球表面重力的1000万-10亿倍。在这样的高压下,任何物体都已不复存在。白矮星的产生过程是漫长和复杂的,它是在红巨星的中心形成的。当红巨星的外部区域迅速膨胀时,氦核受反作用力却强烈向内收缩,被压缩的物质不断变热,最终内核温度将超过一亿度,于是氦开始聚变成碳。经过几百万年,氦核燃烧殆尽,现在恒星的结构组成已经不那么简单了:外壳仍然是以氢为主的混和物;而在它下面有一个氦层,氦层内部还埋有一个碳球。核反应过程变得更加复杂,中心附近的温度继续上升,最终使碳转变为其他元素。与此同时,红巨星外部开始发生不稳定的脉动振荡:恒星半径时而变大,时而又缩小,稳定的主星序恒星变为极不稳定的巨大火球,火球内部的核反应也越来越趋于不稳定,忽而强烈,忽而微弱。此时的恒星内部核心实际上密度已经增大到每立方厘米十吨左右。此时,在红巨星内部,已经诞生了一颗白矮星。白矮星刚刚形成时,其温度可能会超过20万度,但是很快就会降至10万度以下。据此,科学家们认为,美国和德国天文学家发现的这颗白矮星还处于“少年期”。[2]

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