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&emsp ;&emsp ; 天狼星是地球夜空中最亮的恒星,每年冬季我们都可以看到它的身影。1844年,德国天文学家兼数学家贝塞尔(F. Bessel)通过计算发现,天狼星实际上应该是一个双星系统,它有一颗与太阳质量相当的伴星。但由于这颗伴星极其暗弱,人们长久以来并未能发现它,直到1862年才拍摄到了这颗亮度只有天狼星千分之一的伴星的照片,后来又获得了其光谱,人们才终于开始认识这种新的天体——白矮星。
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<center ><font size =2px color =grey >X射线波段的天狼星及其伴星</font ></center >
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# 类太阳恒星的末期演化
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&emsp ;&emsp ; 随着恒星核心氢聚变的进行,燃料逐渐枯竭,一颗主要由氦构成的核心的质量逐渐增加,它会在引力的作用下逐渐收缩,温度、压强和密度也不断提升,恒星慢慢步入红巨星阶段。此后恒星的演化分为两种情况:第一种,中等质量恒星核心的温度较高,能够达到氦的点火温度,于是开始氦聚变成碳的3α反应;第二种,小质量恒星核心温度不足以发生氦的聚变,这使得核心无法依靠辐射压力来与引力抗衡,于是便进入电子简并状态,以电子简并压来对抗引力收缩。
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<center ><font size =2px color =grey >恒星内氢和氦的聚变过程</font ></center >
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&emsp ;&emsp ; 何为简并压力?我们知道由费米子组成的系统,同一个微观量子态最多只能允许一个粒子存在(泡利不相容原理),比如电子简并气体的每个能级最多存在两个电子(两个不同的自旋方向),其他的电子会被排斥,这种费米子之间的排斥力就是简并压力。在简并气体里,由于较低的能级很快就被占满了,故大多数粒子的能量远大于它们在普通气体里的,这一高的能量也对应了高的动量,因此粒子动量交换所产生的的压力也远远超过通常气体的压力,能够抵抗更强的引力,支撑起核心更大的密度。理论计算表明,电子简并压的大小与密度有关,并且在同样的密度和温度下,质量越小的粒子越容易简并,所以恒星核心首先进入简并状态的是电子。
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&emsp ;&emsp ; 简并核心的进一步收缩会使其温度继续上升,质量在0.5~ 2.3倍太阳之间的小质量恒星,最终核心还是会达到氦的聚变温度,开启氦的爆炸式燃烧,即“氦闪”。这之后,简并状态解除,随着核心氦的燃烧殆尽,它们会和中等质量恒星一样,产生一个主要由碳和氧构成的核心,此时的恒星已经到达它们生命的最后一个阶段——渐近巨星(AGB)。同样地,碳氧核心随后也会发生电子简并现象,此时它已经具备一颗白矮星的雏形。巨大的光度和强烈的星风使其外壳的物质大量损失,最终只留下一颗独立的碳氧白矮星,抛射出去的物质则形成行星状星云。而质量小于0.5倍太阳的恒星,它们的核心温度始终无法引起氦的聚变,最终的演化结果是一颗氦白矮星。
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<center ><font size =2px color =grey >不同质量恒星的演化</font ></center >
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# 白矮星的结构和特点
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&emsp ;&emsp ; 如果白矮星是密近双星系统中的一员,当伴星演化至生命末期,外层膨胀到充满洛希瓣之后,伴星的物质会经由第一拉格朗日点流向白矮星并被吸积。白矮星后续的发展与吸积的速率有很大关系:如果吸积速率过低,被吸积的氢会在白矮星的表面以失控的方式进行聚变反应,通过新星爆发,将原先吸积的物质重新喷发出去,并有可能重复这一过程形成再发新星;如果吸积速率过高,富氢包层将快速膨胀,白矮星反而会重新成为一颗渐近巨星。
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<center ><font size =2px color =grey >密近双星中的白矮星吸积伴星物质</font ></center >
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&emsp ;&emsp ; 稳定的白矮星吸积过程只会存在于一个很窄的吸积速率范围内,当白矮星的质量增加到接近钱德拉塞卡极限时,将发生热核爆炸。这一过程释放的热量大于白矮星维持静力学平衡所需的能量,因此结果是毁灭性的,白矮星将粉身碎骨,成为Ia型超新星。Ia型超新星的前身星具有大致相同的质量(钱德拉塞卡极限),因此它们爆发后也有着相近的光度和绝对星等,是天文学中测量天体距离的标准烛光之一。
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<center ><font size =2px color =grey >星系NGC 2525左侧的Ia型超新星</font ></center >
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&emsp ;&emsp ; 虽说白矮星的爆发一般不会有遗留物存在,但也有例外。如果双星系统中的两颗子星都是白矮星,引力波辐射会使系统损失角动量,最终二者靠的足够近,发生合并现象。数值模拟表明,两颗白矮星中密度和质量较小的那颗会完全解体,并被另一颗白矮星吸积。如果吸积过程的速率较高,碳点火后的聚变产物对电子的俘获反应会导致压强下降,从而引发恒星坍缩,最终演化为一颗中子星。
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