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白矮星内部有什么东西使它如此致密科学解释(白矮星内部结构)

导语:白矮星内部有什么东西,使它如此致密?科学家:是恒星密集的尸体

恒星可以说是宇宙内部相对独立系统中最为核心的天体了,就像太阳系中的太阳一样,它占据了整个恒星系质量的99.86%。由于恒星在形成时吸聚了周围巨量的星际物质,在引力作用下不断发生坍缩,从而核心处的温度和压力逐渐增高,达到一定极限后,便会在量子隧穿效应的加持下发生核聚变反应,形成向外发光发热的炙热天体。

白矮星的形成

宇宙中的恒星有大有小,其中质量非常巨大的恒星,最终在生命周期结束以后,会经历超新星爆炸,最后演化为中子星或者黑洞,但是像这样的恒星,在宇宙所有恒星阵营中所占比例是非常小的。据科学家们测算,只有大约3%,而其余的中小质量恒星(主序期质量为太阳质量8倍以内),在生命末期会演化为白矮星。

质量巨大的恒星,由于内部核聚变反应的程度异常剧烈,虽然组成物质非常丰富,体积和质量非常大,寿命却相对较短,比如作为黄矮星的太阳,其寿命大约为100亿年,而那些质量巨大的蓝矮星,寿命却只有几亿年甚至几千万年,它们主序期结束后基本上都会经历超新星爆炸,一方面残留的内核继续坍缩形成中子星或者黑洞,另一方面通过爆炸将原有恒星表层物质全部抛洒在宇宙空间中,为下一代恒星以及行星的形成提供物质基础。

只有那些鼎盛时期质量在8倍太阳以下的恒星,在生命结束时才会采取比较“稳重”的方式,先是内部核聚变停止后,在外层引力作用下发生剧烈的坍缩,然后重启内核更为剧烈的核聚变,推动恒星表层物质急速发生膨胀,形成红巨星,再接下来,恒星的外层将脱落形成一个被称为行星状星云的环,留下的核心将是一颗白矮星,也就是一颗没有发生氢聚变的恒星“外壳”。

在理论上,还有一类质量更小的恒星,比如红矮星,在生命末期不会进入红巨星的状态。它们只是“燃烧”掉了所有的氢,慢慢地以白矮星形式结束自己的生涯。然而,由于红矮星消耗它们的燃料的速率,相对于其它恒星来说,实在太慢了,往往需要数万亿年的时间,这个时间长度远远超过了宇宙138亿年的年龄,所以理论上现在宇宙中还没有红矮星变成白矮星的事件发生。

白矮星的基本特征

从温度和光度来看,白矮星的表面温度要比太阳高出很多,达到惊人的10万摄氏度,但是即使拥有这样的温度,它的光度却很低,因为其尺寸太小了,只有地球般大小。

从密度来看,由于白矮星的质量和太阳类似,但是体积只有地球般大,所以它的平均密度非常大,是宇宙中密度最大的天体之一,仅次于黑洞和中子星。通过测算,地球大小的白矮星,其表面的重力加速度将是地球的35万倍,假设一个70公斤的人站在白矮星表面,那么他所受到的重力将达到24500000公斤!

白矮星之所以能达到如此惊人的密度,是因为它们在坍缩过程中,其中的物质被压缩得非常紧密,以至于电子都被挤压在一起,形成了所谓的“电子简并态物质”。由于恒星内部核聚变停止,向外的辐射压消失,恒星外层物质推动着整个星体迅速、剧烈地向内发生坍缩,直至电子与电子之间提供足够的向外压力来阻挡这种收缩。

恒星的质量越大,向内的压力就会越大,所以质量较大的白矮星比质量较小的白矮星的半径更小。当形成白矮星以后,残余的质量不会超过太阳质量的1.4倍,否则向个的压力就会更大,电子简并压也阻挡不了这种压力,只能继续继续坍缩为中子星甚至黑洞。

宇宙中的很多恒星,都拥有自己的行星系统。因此,当恒星进入生命尾声膨胀为红巨星时,会吞噬离它较近的行星,所以红巨星阶段之后演化成的白矮星,其表层的大气物质并不纯粹,往往会含有1%-3%的行星物质。所以,但凡发现白矮星的恒星系统,都表明其前身都经历了红巨星的膨胀阶段,大量中、近距离的行星往往都会被吞噬掉,这也是为什么科学家们在寻找类地宜居行星时,不会将白矮星作为搜寻目标的原因。

白矮星还可以继续“升级”

白矮星,当然也只是恒星整个生命周期的一个阶段,也没有达到最终的归宿,在恒星经历白矮星之日算起,恒星将会变得越来越“默默无闻”,当原有剩余的能量慢慢辐射出去之后,最后归于沉寂,形成只是由低温简并电子气体组成的天体,科学家们将这个最终的归缩称为黑矮星,这是一种假设中的天体形态,因为从白矮星演化为黑矮星的时间太长,超过了宇宙现有的年龄,所以现在宇宙中也没有一个黑矮星。

不过,白矮星也有“调皮”的时候,比如存在一个双恒星系统,其中一个演化为了白矮星,另外一个是它的伴星,由于体积小还处于主序期,白矮星则有机会把伴星的部分物质吸引过来,从而作为自己的组成,不断壮大自己的规模,当质量增加到一定程度以后,白矮星则会继续发生坍缩,突破电子简并压的阻挡,形成密度更大的一种天体-中子星,实现了华丽的升级与蜕变。

如果白矮星吸收物质的规模更加巨大,那么则有一定的几率产生更为爆炸性的结果,那就是Ia型超新星,由于温度和压力升高得太快,在恒星的表层以及中部某些区域,形成了不可控的超强核聚变反应,从而引发了剧烈的超新星爆炸,从而将原来的白矮星摧毁,在宇宙空间中形成一道绚烂的烟花。

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