白矮星(White Dwarf)是壹種低光度、高密度、高溫度的恒星。因為它的顏色呈白色、體積比較矮小,因此被命名為白矮星。
也有人認為,白矮星的前身可能是行星狀星雲.
白矮星屬於演化到晚年期的恒星。恒星在演化後期,拋射出大量的物質,經過大量的質量損失後,如果剩下的核的質量小於1.44個太陽質量,這顆恒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,它的中心通常都有壹個溫度很高的恒星──中心星)的中心星,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”。
白矮星具有這樣壹些特征:
(1)體積小,它的半徑接近於行星半徑,平均小於103千米。
(2)光度(恒星每秒鐘內輻射的總能量,即恒星發光本領的大小)非常小,要比正常恒星平均暗103倍。
(3)質量小於1.44個太陽質量。
(4)密度高達106~107克/厘米3,其表面的重力加速度大約等於地球表面重力加速度的10倍到104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103℃。
(6)白矮星的磁場高達105~107高低
目前人們已經觀測發現的白矮星有1000多顆。天狼星(Sirius)的伴星是第壹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%的恒星是白矮星,但理論分析與推算認為,白矮星應占全部恒星的10%左右。
白矮星是壹種很特殊的天體,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。
根據白矮星的半徑和質量,可以算出它的表面重力等於地球表面的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。
白矮星是壹種晚期的恒星。根據現代恒星演化理論,白矮星是在紅巨星的中心形成的。
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,最終內核溫度將超過壹億度,於是氦開始聚變成碳。
經過幾百萬年,氦核燃燒殆盡,現在恒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和物;而在它下面有壹個氦層,氦層內部還埋有壹個碳球。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:恒星半徑時而變大,時而又縮小,穩定的主星序恒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於不穩定,忽而強烈,忽而微弱。此時的恒星內部核心實際上密度已經增大到每立方厘米十噸左右,我們可以說,此時,在紅巨星內部,已經誕生了壹顆白矮星。
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壹億分之壹厘米,而氫原子核的半徑只有十萬億分之壹厘米。假如核的大小象壹顆玻璃球,則電子軌道將在兩公裏以外。
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占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“沈浸於”電子中。
壹般把物質的這種狀態叫做“簡並態”。簡並電子氣體壓力與白矮星強大的重力平衡,維持著白矮星的穩定。順便提壹下,當白矮星質量進壹步增大,簡並電子氣體壓力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。
白矮星是恒星演化末期產生的天體。這些恒星不能維持核聚變反應,所以在經過氦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,而留下壹個核聚變產生的的高密度核心,即白矮星。
由於缺乏能量的來源,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,其密度可達每立方厘米十噸。電子斥力不足以支持超過1.4倍太陽質量的白矮星,外殼的重力會進壹步使恒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。
釋放能量會造成恒星逐步冷卻,表面溫度逐漸降低,恒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(150億年)不足以使任何白矮星演化到這壹階段。
形成
白矮星是中低質量的恒星的演化路線的終點。在紅巨星階段的末期,恒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)。恒星外殼的重力會壓縮恒星產生壹個高密度的天體。
壹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。這種密度僅次於中子星和誇克星。如果白矮星的質量超過1.4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。
大部分恒星的演化過程都包含白矮星階段。由於很多恒星會通過新星或者超新星爆發將外殼拋出,壹些質量略大的恒星也可能最終演化成白矮星。
雙星或者多星系統中,由於星際物質的交換,恒星的演化過程可能與單獨的恒星不同,例如天狼星的伴星就是壹顆年老的大約壹個太陽質量的白矮星,但是天狼星是壹顆大約2.3個太陽質量的主序星。
白矮星螺旋
在大約1,600光年遠的壹個叫做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壹周。錢德拉天文臺天文學家的X射線波段數據分析反駁了壹個已經給人留下深刻印象的觀點:這兩顆白矮星的短軌道周期處於壹種穩定的狀態,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:白矮星由於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壹,可以直接利用未來設立在太空的重力波工具捕獲。