白矮星(White Dwarf)是一種低光度、高密度、高溫度的恒星。因?yàn)樗念伾拾咨?、體積比較矮小，因此被命名為白矮星。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。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)，體積和地球相當(dāng)，但質(zhì)量卻和太陽差不多，它的密度在1000萬噸/立方米左右。

 太陽也將變成白矮星

太陽也將變成白矮星

現(xiàn)在的太陽上，絕大多數(shù)的氫正逐漸燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楹?，可以說太陽正處于最穩(wěn)定的主序星階段。對(duì)太陽這樣質(zhì)量的恒星而言，主序星階段約可持續(xù)110億年。恒星由于放出光而慢慢地在收縮，而在收縮過程中，中心部分的密度就會(huì)增加，壓力也會(huì)升高，使得氫會(huì)燃燒得更厲害，這樣一來溫度就會(huì)升高，太陽的亮度也會(huì)逐漸增強(qiáng)。太陽自從45億年前進(jìn)入主序星階段到現(xiàn)在，太陽光的亮度增強(qiáng)了30%，預(yù)計(jì)今后還會(huì)繼續(xù)增強(qiáng)，使地球溫度不斷升高。65億年后，當(dāng)太陽的主序星階段結(jié)束時(shí)，預(yù)計(jì)太陽光的亮度將是現(xiàn)在的2.2倍，而地球的平均溫度要比現(xiàn)在高60℃左右。屆時(shí)就算地球上仍有海水，恐怕也快被蒸發(fā)光了。若僅從平均溫度來看，火星反而會(huì)是最適宜人類居住的星球。在主序星階段，因恒星自身引力而造成收縮的這股向內(nèi)的力和因燃燒而引起的向外的力會(huì)互相牽制而達(dá)到平衡。但在65億年后，太陽中心部分的氫會(huì)燃盡，最后只剩下其周圍的球殼狀部分有氫燃燒。在球殼內(nèi)不再燃燒的區(qū)域，由于抵消引力的向外的力減弱而開始急速收縮，此時(shí)太陽會(huì)越來越亮，球殼外側(cè)部分因受到影響而導(dǎo)致溫度升高并開始膨脹，這便是另一個(gè)階段--紅巨星階段的開始。紅巨星階段會(huì)持續(xù)數(shù)億年，其間太陽的亮度會(huì)達(dá)到現(xiàn)在的2000倍，木星和土星周圍的溫度也會(huì)升高，木星的冰衛(wèi)星以及作為土星特征的環(huán)都會(huì)被蒸發(fā)得無影無蹤，最后，太陽的外層部分甚至?xí)蛎浀浆F(xiàn)在的地球軌道附近。

另一方面，從外層部分會(huì)不斷放出氣體，最終太陽的質(zhì)量會(huì)減至主序星階段的60%。因太陽引力減弱之故，行星開始遠(yuǎn)離太陽。當(dāng)太陽質(zhì)量減至原來的60%時(shí)，行星和太陽的距離要比現(xiàn)在擴(kuò)大70%。這樣一來，雖然水星和金星被吞沒的可能性極大，但地球在太陽外層部分到達(dá)之前應(yīng)該會(huì)拉大距離而存活下來，火星和木星型行星(木星，土星，天王星，海王星)也會(huì)存活下來。

像太陽這般質(zhì)量的星球，在其密度已變得非常高的中心部分只會(huì)收縮到一定程度，也就是溫度只會(huì)升高到某種程度，中心部分的火會(huì)漸漸消失。太陽逐漸失去光芒，膨脹的外層部分將收縮，冷卻成致密的白矮星。通過紅巨星時(shí)代考驗(yàn)而存留下來的行星將會(huì)繼續(xù)圍繞太陽運(yùn)行，所有一切都將被凍結(jié)，最后太陽系迎接的將會(huì)是寂靜狀態(tài)的結(jié)束。

白矮星釋義

白矮星：一種由電子之間不相容原理排斥力所支持的穩(wěn)定的冷的恒星。

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)樽杂呻娮印?/p>

當(dāng)紅巨星的外部區(qū)域迅速膨脹時(shí)，氦核受反作用力卻強(qiáng)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(jiǎn)單了：外殼仍然是以氫為主的混合物;而在它下面有一個(gè)氦層，氦層內(nèi)部還埋有一個(gè)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亍?/p>

與此同時(shí)，紅巨星外部開始發(fā)生不穩(wěn)定的脈動(dòng)振蕩：恒星半徑時(shí)而變大，時(shí)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(qiáng)烈，忽而微弱。此時(shí)的恒星內(nèi)部核心實(shí)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(shí)，在紅巨星內(nèi)部，已經(jīng)誕生了一顆白矮星。

白矮星的密度

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。假如核的大小像一顆玻璃球，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(shí)原子核是“沉浸于”電子中。

一般把物質(zhì)的這種狀態(tài)叫做“電子簡(jiǎn)并態(tài)”。電子簡(jiǎn)并壓與白矮星強(qiáng)大的重力平衡，維持著白矮星的穩(wěn)定。順便提一下，當(dāng)白矮星質(zhì)量進(jìn)一步增大，電子簡(jiǎn)并壓就有可能抵抗不住自身的引力收縮，白矮星還會(huì)坍縮成密度更高的天體：中子星或黑洞。

對(duì)單星系統(tǒng)而言，由于沒有熱核反應(yīng)來提供能量，白矮星在發(fā)出光熱的同時(shí)，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(gè)比鉆石還硬的巨大晶體——黑矮星而永存。

而對(duì)于多星系統(tǒng)，白矮星的演化過程則有可能被改變。

白矮星相關(guān)

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(gè)太陽質(zhì)量，這顆恒星便可能演化成為白矮星。對(duì)白矮星的形成也有人認(rèn)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(gè)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(gè)星體開始慢慢冷卻、晶化，直至最后“死亡”。

白矮星，也稱為簡(jiǎn)并矮星，是由電子簡(jiǎn)并物質(zhì)構(gòu)成的小恒星。它們的密度極高，一顆質(zhì)量與太陽相當(dāng)?shù)陌装求w積只有地球一般的大小，微弱的光度則來自過去儲(chǔ)存的熱能。在太陽附近的區(qū)域內(nèi)已知的恒星中大約有6%是白矮星。這種異常微弱的白矮星大約在1910年就被亨利·諾瑞斯·羅素、艾德華·查爾斯·皮克林和威廉·佛萊明等人注意到[3], p. 1白矮星的名字是威廉·魯伊登在1922年取的。白矮星被認(rèn)為是低質(zhì)量恒星演化階段的最終產(chǎn)物，在我們所屬的星系內(nèi)97%的恒星都屬于這一類。,

中低質(zhì)量的恒星在渡過生命期的主序星階段，結(jié)束以氫融合反應(yīng)之后，將在核心進(jìn)行氦融合，將氦燃燒成碳和氧的3氦過程，并膨脹成為一顆紅巨星。如果紅巨星沒有足夠的質(zhì)量產(chǎn)生能夠讓碳燃燒的更高溫度，碳和氧就會(huì)在核心堆積起來。在散發(fā)出外面數(shù)層的氣體成為行星狀星云之后，留下來的只有核心的部份，這個(gè)殘骸最終將成為白矮星。因此，白矮星通常都由碳和氧組成。但也有可能核心的溫度可以達(dá)到燃燒碳卻仍不足以燃燒氖的高溫，這時(shí)就能形成核心由氧、氖和鎂組成的白矮星。同樣的，有些由氦 組成的白矮星是由聯(lián)星的質(zhì)量損失造成的。

白矮星的內(nèi)部不再有物質(zhì)進(jìn)行核融合反應(yīng)，因此恒星不再有能量產(chǎn)生，也不再由核融合的熱來抵抗重力崩潰;它是由極端高密度的物質(zhì)產(chǎn)生的電子簡(jiǎn)并壓力來支撐。物理學(xué)上，對(duì)一顆沒有自轉(zhuǎn)的白矮星，電子簡(jiǎn)并壓力能夠支撐的最大質(zhì)量是1.4倍太陽質(zhì)量，也就是錢德拉塞卡極限。許多碳氧白矮星的質(zhì)量都接近這個(gè)極限的質(zhì)量，通常經(jīng)由伴星的質(zhì)量傳遞，可能經(jīng)由所知道的碳引爆過程爆炸成為一顆Ia超新星。

白矮星形成時(shí)的溫度非常高，但是因?yàn)闆]有能量的來源，因此將會(huì)逐漸釋放它的熱量并且逐漸變冷 (溫度降低)，這意味著它的輻射會(huì)從最初的高色溫隨著時(shí)間逐漸減小并且轉(zhuǎn)變成紅色。經(jīng)過漫長的時(shí)間，白矮星的溫度將冷卻到光度不再能被看見，而成為冷的黑矮星。但是，現(xiàn)在的宇宙仍然太年輕 (大約137億歲)，即使是最年老的白矮星依然輻射出數(shù)千度K的溫度，還不可能有黑矮星的存在 。

白矮星的特征

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10的3次方千米。

(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)的大小)非常小，是正常恒星平均的10的3次方分之一。

(3)質(zhì)量小于1.44個(gè)太陽質(zhì)量。

(4)白矮星密度高達(dá)1,000,000 g/cm3(地球密度為5.5g/cm3)，一顆與地球體積相當(dāng)?shù)陌装?比如說天狼星的鄰星Sirius B)的表面重力約等于地球表面的18萬倍。假如人能到達(dá)白矮星表面，那么他休想站起來，因?yàn)樵谒厦娴囊μ貏e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10的3次方℃。

(6)白矮星的磁場(chǎng)高達(dá)10的5次方--10的7次方高斯

目前人們已經(jīng)觀測(cè)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(cè)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(yuǎn)的近距天體。根據(jù)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，大約有3%的恒星是白矮星，但理論分析與推算認(rèn)為，白矮星應(yīng)占全部恒星的10%左右。

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(He)閃進(jìn)化到紅巨星階段之后，他們會(huì)將外殼拋出形成行星狀星云，而留下一個(gè)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(huì)逐步釋放熱能而發(fā)光而冷卻。其核心靠電子的斥力對(duì)抗重力，其密度可達(dá)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(huì)進(jìn)一步使恒星塌縮成中子星或者黑洞。這個(gè)過程中經(jīng)常伴隨著超新星爆發(fā)。

釋放能量會(huì)造成恒星逐步冷卻，表面溫度逐漸降低，恒星的顏色也會(huì)隨之變化。經(jīng)過數(shù)千億年之后，白矮星會(huì)冷卻到無法發(fā)光，成為黑矮星。但是目前普遍認(rèn)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。

白矮星形成

白矮星是中低質(zhì)量的恒星的演化路線的終點(diǎn)。在紅巨星階段的末期，恒星的中心會(huì)因?yàn)闇囟取毫Σ蛔慊蛘吆司圩冞_(dá)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(huì)壓縮恒星產(chǎn)生一個(gè)高密度的天體。

一個(gè)典型的穩(wěn)定獨(dú)立白矮星具有大約半個(gè)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(duì)抗重力，電子會(huì)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(huì)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(dú)的恒星不同，例如天狼星的伴星就是一顆年老的大約一個(gè)太陽質(zhì)量的白矮星，但是天狼星是一顆大約2.3個(gè)太陽質(zhì)量的主序星。

白矮星螺旋

在大約1,600光年遠(yuǎn)的一個(gè)叫做J0806的非常著名的雙星系統(tǒng)里，兩個(gè)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(tái)天文學(xué)家的X射線波段數(shù)據(jù)分析反駁了一個(gè)已經(jīng)給人留下深刻印象的觀點(diǎn)：這兩顆白矮星的短軌道周期處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)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(gè)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(gè)藝術(shù)家般的觀點(diǎn)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(duì)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(shí)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。

這兩顆白矮星會(huì)很快碰撞合并在一起，如果質(zhì)量足夠大,就會(huì)演變成中子星; 如果質(zhì)量不到1.4倍太陽的質(zhì)量，那么合并成一個(gè)“大的”白矮星。

歷史上的發(fā)現(xiàn)

1892年，Alvan Graham Clark發(fā)現(xiàn)了天狼星的伴星。根據(jù)對(duì)恒星數(shù)據(jù)的分析，這個(gè)伴星的質(zhì)量約一個(gè)太陽質(zhì)量，表面溫度大約25000K，但是其光度大約是天狼星的萬分之一，所以根據(jù)光度和表面積的關(guān)系，推斷出其大小與地球相當(dāng)。這樣的密度是地球上的物質(zhì)達(dá)不到的。1917年，Adriaan Van Maanen發(fā)現(xiàn)了目前已知離太陽最近的白矮星Van Maanen星。

在二十世紀(jì)初由Max Planck等人發(fā)展出量子理論之后，Ralph H. Fowler于1926年建立了一個(gè)基于費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)的解釋白矮星的密度的理論。

1930年，蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡(印度)發(fā)現(xiàn)了白矮星的質(zhì)量上限(錢德拉塞卡極限)，并因此獲得1983年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。