什么是白矮星?

【专家解说】：白矮星 白矮星(White Dwarf)是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为它的颜色呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮星。 也有人认为,白矮星的前身可能是行星状星云. 白矮星属于演化到晚年期的恒星。恒星在演化后期，抛射出大量的物质，经过大量的质量损失后，如果剩下的核的质量小于1.44个太阳质量，这颗恒星便可能演化成为白矮星。对白矮星的形成也有人认为，白矮星的前身可能是行星状星云(是宇宙中由高温气体、少量尘埃等组成的环状或圆盘状的物质，它的中心通常都有一个温度很高的恒星──中心星)的中心星，它的核能源已经基本耗尽，整个星体开始慢慢冷却、晶化，直至最后“死亡”。 白矮星具有这样一些特征: (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。 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，我们可以说，此时，在红巨星内部，已经诞生了一颗白矮星。 我们知道，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。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。 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。 【形成】 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。 白矮星螺旋 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。