白矮星
白矮星(White Dwarf)是一種低光度、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云.
白矮星屬于演化到晚年期的恒星.恒星在演化后期,拋射出大量的物質(zhì),經(jīng)過大量的質(zhì)量損失后,如果剩下的核的質(zhì)量小于1．44個太陽質(zhì)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云（是宇宙中由高溫氣體、少量塵埃等組成的環(huán)狀或圓盤狀的物質(zhì),它的中心通常都有一個溫度很高的恒星——中心星）的中心星,它的核能源已經(jīng)基本耗盡,整個星體開始慢慢冷卻、晶化,直至最后“死亡”.
白矮星具有這樣一些特征：
（1）體積小,它的半徑接近于行星半徑,平均小于103千米.
（2）光度（恒星每秒鐘內(nèi)輻射的總能量,即恒星發(fā)光本領(lǐng)的大?。┓浅Ｐ?要比正常恒星平均暗103倍.
（3）質(zhì)量小于1．44個太陽質(zhì)量.
（4）密度高達106～107克／厘米3,其表面的重力加速度大約等于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,那么他休想站起來,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(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)的白矮星有1000多顆.天狼星(Sirius)的伴星是第一顆被人們發(fā)現(xiàn)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(jù)觀測資料統(tǒng)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(yīng)占全部恒星的10％左右.
白矮星是一種很特殊的天體,它的體積小、亮度低,但質(zhì)量大、密度極高.比如天狼星伴星（它是最早被發(fā)現(xiàn)的白矮星）,體積比地球大不了多少,但質(zhì)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(jù)白矮星的半徑和質(zhì)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(fù)存在,連原子都被壓碎了：電子脫離了原子軌道變?yōu)樽杂呻娮?
白矮星是一種晚期的恒星.根據(jù)現(xiàn)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(qū)域迅速膨脹時,氦核受反作用力卻強烈向內(nèi)收縮,被壓縮的物質(zhì)不斷變熱,最終內(nèi)核溫度將超過一億度,于是氦開始聚變成碳.
經(jīng)過幾百萬年,氦核燃燒殆盡,現(xiàn)在恒星的結(jié)構(gòu)組成已經(jīng)不那么簡單了：外殼仍然是以氫為主的混和物；而在它下面有一個氦層,氦層內(nèi)部還埋有一個碳球.核反應(yīng)過程變得更加復(fù)雜,中心附近的溫度繼續(xù)上升,最終使碳轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?
與此同時,紅巨星外部開始發(fā)生不穩(wěn)定的脈動振蕩：恒星半徑時而變大,時而又縮小,穩(wěn)定的主星序恒星變?yōu)闃O不穩(wěn)定的巨大火球,火球內(nèi)部的核反應(yīng)也越來越趨于不穩(wěn)定,忽而強烈,忽而微弱.此時的恒星內(nèi)部核心實際上密度已經(jīng)增大到每立方厘米十噸左右,我們可以說,此時,在紅巨星內(nèi)部,已經(jīng)誕生了一顆白矮星.
我們知道,原子是由原子核和電子組成的,原子的質(zhì)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厘米,而氫原子核的半徑只有十萬億分之一厘米.假如核的大小象一顆玻璃球,則電子軌道將在兩公里以外.
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(jù)原子核之間的空隙,從而使單位空間內(nèi)包含的物質(zhì)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.
一般把物質(zhì)的這種狀態(tài)叫做“簡并態(tài)”.簡并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(wěn)定.順便提一下,當白矮星質(zhì)量進一步增大,簡并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(chǎn)生的天體.這些恒星不能維持核聚變反應(yīng),所以在經(jīng)過氦閃進化到紅巨星階段之后,他們會將外殼拋出形成行星狀星云,而留下一個核聚變產(chǎn)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(fā)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(zhì)量的白矮星,外殼的重力會進一步使恒星塌縮成中子星或者黑洞.這個過程中經(jīng)常伴隨著超新星爆發(fā).
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(jīng)過數(shù)千億年之后,白矮星會冷卻到無法發(fā)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一階段.
【形成】
白矮星是中低質(zhì)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(chǎn)生能量（產(chǎn)生比鐵還重的元素不能產(chǎn)生能量,而需要吸收能量）.恒星外殼的重力會壓縮恒星產(chǎn)生一個高密度的天體.
一個典型的穩(wěn)定獨立白矮星具有大約半個太陽質(zhì)量,比地球略大.這種密度僅次于中子星和夸克星.如果白矮星的質(zhì)量超過1.4倍太陽質(zhì)量,那么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.由于很多恒星會通過新星或者超新星爆發(fā)將外殼拋出,一些質(zhì)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(tǒng)中,由于星際物質(zhì)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一顆年老的大約一個太陽質(zhì)量的白矮星,但是天狼星是一顆大約2.3個太陽質(zhì)量的主序星.
白矮星螺旋
在大約1,600光年遠的一個叫做J0806的非常著名的雙星系統(tǒng)里,兩個致密的白矮星每321秒繞各自的軌道旋轉(zhuǎn)一周.錢德拉天文臺天文學(xué)家的X射線波段數(shù)據(jù)分析反駁了一個已經(jīng)給人留下深刻印象的觀點：這兩顆白矮星的短軌道周期處于一種穩(wěn)定的狀態(tài),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公里的兩個星(地球與月亮的距離是 400,000 公里),它們也注定要合并的.根據(jù)這個藝術(shù)家般的觀點描述,著名的J0806系統(tǒng)螺旋毀滅的原因便是同愛因斯坦相對論中預(yù)言的那樣：白矮星由于重力波產(chǎn)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(shè)立在太空的重力波工具捕獲.
中子星
中子星
中子星是處于演化后期的恒星,它也是在老年恒星的中心形成的.只不過能夠形成中子星的恒星,其質(zhì)量更大罷了.根據(jù)科學(xué)家的計算,當老年恒星的質(zhì)量大于十個太陽的質(zhì)量時,它就有可能最后變?yōu)橐活w中子星,而質(zhì)量小于十個太陽的恒星往往只能變化為一顆白矮星.
典型中子星的直徑為20公里,質(zhì)量約等于太陽的質(zhì)量.因此,它們的密度極高,約為水的10的14次方倍,大體相當于原子核內(nèi)部的密度.在某種程度上,中子星可以認為是由其自身引力吸在一起的巨核.在密度最大的中心處,物質(zhì)據(jù)信主要是超子和介子.在中介層則多為中子,而且可能處于“超流”狀態(tài).盡管溫度可能達到百萬度的高溫,最外面的1000米還是固體的.外殼由各種原子核組成的點陣結(jié)構(gòu)和簡并的自由電子氣所組成.外殼內(nèi)是一層主要由中子組成的流體,在這層中還有少量的質(zhì)子、電子和μ介子.
對于中子星內(nèi)部的密度高達10的16次方克/立方厘米的物態(tài),目前有三種不同的看法：①超子流體；②固態(tài)的中子核心；③中子流體中的π介子凝聚.在極高密度下,當重子核心彼此重疊得相當緊密時(這種情形有可能出現(xiàn)于大質(zhì)量中子星的中心部分),物質(zhì)的性質(zhì)如何,是一個完全沒有解決的問題.中子星的質(zhì)量下限約為0.1太陽質(zhì)量,上限在1.5～2太陽質(zhì)量之間.中子星半徑的典型值約為10公里.密度最低的固態(tài)表面是高密度的鐵.
中子星另一個重要特征是存在強度極高的磁場,超過10的12次方高斯,它使表層的鐵聚合成長長的鐵原子鏈：每個原子都被壓縮并沿磁場被拉長,而且首尾相接,形成從表面向外伸出的“須狀物”.在表面以下,由于壓力太高,單個原子不能存在.它使中子星沿著磁極方向發(fā)射束狀無線電波（射電波）.中子星自轉(zhuǎn)非?？?能達到每秒幾百轉(zhuǎn).中子星的磁極與兩極通常不吻合,所以如果中子星的磁極恰好朝向地球,那么隨著自轉(zhuǎn),中子星發(fā)出的射電波束就會象一座旋轉(zhuǎn)的燈塔那樣一次次掃過地球,形成射電脈沖.人們又稱這樣的天體為“脈沖星”.1967年發(fā)現(xiàn)了脈沖星,首次證明了中子星的存在.現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)1620多顆脈沖星,普遍認為它們就是旋轉(zhuǎn)的中子星.蟹狀星云脈沖星和船帆座脈沖星的脈沖周期極短,說明它們不可能是白矮星.據(jù)認為,脈沖星是由于它們的旋轉(zhuǎn)和強磁場而產(chǎn)生的一種電動力學(xué)現(xiàn)象,就像發(fā)電機的情況一樣.另有證據(jù)表明,某些雙星X射線源也包含著中子星,它們似乎是由于壓縮從伴星吸積到它們表面上的物質(zhì)而發(fā)出X射線的.中子星據(jù)信是超新星爆發(fā)形成的,在該過程中,隨著核心密度增至10趵15次方/立方厘米,中子壓力便會頂住中心核的坍縮.若坍縮中心核的質(zhì)量超過太陽質(zhì)量的2倍,則不能形成中子星而可能變成黑洞.
中子星的外殼
中子星是一種比白矮星密度更大的恒星,主要是由中子以及少量的質(zhì)子、電子所組成的超密恒星.1932年發(fā)現(xiàn)中子后不久,朗道就提出可能存在由中子組成的致密星.1934年巴德和茲威基也分別提出了中子星的概念,而且指出中子星可能產(chǎn)生于超新星爆發(fā).1967年英國射電天文學(xué)家休伊什和貝爾等發(fā)現(xiàn)了脈沖星.不久,就確認脈沖星是快速自轉(zhuǎn)的、有強磁場的中子星.它的外層為固體外殼,厚約1千米,密度為100萬～1億噸／厘米3,主要是由各種原子核組成的點陣結(jié)構(gòu)和自由電子氣.外殼內(nèi)是一層主要由中子組成的流體,其密度大約為1億～10億噸／厘米3,在這一層中還有少量的質(zhì)子、電子和μ介子.對于中子星中心部分的密度高達10億噸／厘米3以上的物態(tài),目前還存在著三種不同的觀點：
（1）認為是超子（一種質(zhì)量大于核子質(zhì)量的粒子）流體；
（2）是固態(tài)的中子核心；
（3）是中子流體中的π介子凝聚.子、電子和μ介子凝聚.
中子星不僅密度高達1億噸每立方厘米以上,而且它的磁場強度也高達1億特斯拉以上.中子星的體積很小,它的半徑的典型值約為10千米,質(zhì)量下限約為0．1太陽質(zhì)量,上限為1．5～2個太陽質(zhì)量.
中子星爆發(fā)之前的表面
中子星是由恒星演化而來的.在中子星里,壓力是如此之大,電子被壓縮到原子核中,同質(zhì)子中和為中子,使原子變得僅由中子組成.而整個中子星就是由這樣的原子核緊挨在一起形成的.可以這樣說,中子星就是一個巨大的原子核,中子星的密度就是原子核的密度.
在形成的過程方面,當恒星外殼向外膨脹時,它的核受反作用力而收縮,核在巨大的壓力和由此產(chǎn)生的高溫下發(fā)生一系列的物理變化,最后形成一顆中子星內(nèi)核.而整個恒星將以一次極為壯觀的爆炸來了結(jié)自己的生命.這就是天文學(xué)中著名的“超新星爆發(fā)”.
銀河系中著名的氣體星云——蟹狀星云的中心星就是一顆中子星（脈沖星）.蟹狀星云通過X射線發(fā)射的能量比它在光學(xué)波段的能量高100倍左右.盡管如此,即使在可見光波段,這個星云的光度也是非常巨大的：它的距離為6,300光年,這樣它的視亮度對應(yīng)的絕對星等就是-3.2等左右,超過太陽光度的1000倍.它在所有波段的總光度估計是太陽光度的100,000倍,也就是5*10^38爾格/秒!
中子星是目前已知的恒星中最小的.由于中子星的體積很小,所以不能用熱輻射接受器觀測到.但接收到它們的射電脈沖,在研究脈沖星和雙星X射線源時發(fā)現(xiàn)了它們.
天文信息
2007年3月20日光明網(wǎng)-光明日報：歐洲空間局的科學(xué)家最近宣布,他們借助強大的“Integral”天文望遠鏡,發(fā)現(xiàn)了迄今轉(zhuǎn)速最快的中子星,每秒旋轉(zhuǎn)1122圈,比地球自轉(zhuǎn)快1億倍.
最先觀測到這顆星的西班牙天文學(xué)家?guī)炜死照f,早在1999年便已發(fā)現(xiàn)了這顆代號為J1739-285的中子星,但不久前才通過望遠鏡算出它的轉(zhuǎn)速.
這顆中子星的直徑約10公里,但質(zhì)量卻與太陽相近,其密度驚人,高達每立方厘米1億噸.其巨大引力從臨近恒星不斷奪取大量炙熱氣體,并不斷誘發(fā)熱核爆炸.
天文學(xué)家正是通過這種現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了它.此前的中子星自轉(zhuǎn)紀錄是每秒716圈,恒星轉(zhuǎn)速一般在每秒270-715 圈.700圈曾被認為是天體旋轉(zhuǎn)極限,按目前的物理學(xué)理論,轉(zhuǎn)速超過此極限,恒星將被強大離心力摧毀或化 為黑洞.但最新發(fā)現(xiàn)否定了這一看法.
理論上,每秒1122轉(zhuǎn)并不是旋轉(zhuǎn)極限,大型中子星轉(zhuǎn)速有可能高達3000轉(zhuǎn).令天文學(xué)家困惑的是,為什么天體在高速旋轉(zhuǎn)的強大離心力下,卻依然會不斷收縮,而且不損失自身物質(zhì).
中子星又稱脈沖星,是除黑洞外密度最大的星體,同黑洞一樣,也是20世紀60年代最重大的發(fā)現(xiàn)之一