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)在恒星的結構組成已經(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.核反應過程變得更加復雜,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.
白矮星的密度為什么這樣大呢?
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.
對單星系統(tǒng)而言,由于沒有熱核反應來提供能量,白矮星在發(fā)出光熱的同時,也以同樣的速度冷卻著.經(jīng)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鉆石還硬的巨大晶體——黑矮星而永存.
而對于多星系統(tǒng),白矮星的演化過程則有可能被改變.
中子星的密度為10的11次方千克/立方厘米,也就是每立方厘米的質(zhì)量竟為一億噸之巨!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.
中子星的表面溫度約為一百十萬度,輻射χ射線、γ射線和和可見光.中子星有極強的磁場,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)非常快,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”.
超新星爆發(fā)后,如果星核的質(zhì)量超過了太陽質(zhì)量的兩至三倍,那它將繼續(xù)坍縮,最后成為一個體積無限小而密度無窮大的奇點,從人們的視線中消失.圍繞著這個奇點的是一個“無法返回”的區(qū)域,這個區(qū)域的邊界稱為“視野”或“事件地平”,區(qū)域的半徑叫做“史瓦西半徑”.任何進入這個區(qū)域的物質(zhì),包括光線,都無法擺脫這個奇點的巨大引力而逃逸,它們就像掉進了一個無底深淵,永遠不可能返回.
天文學家稱這種由于恒星死亡形成的天體為恒星級黑洞.一般認為,宇宙中的大多數(shù)黑洞是由恒星坍縮形成的.