白矮星內部有什麼東西,使它如此致密?科學家:是恒星密集的殘骸

恒星可以說是宇宙內部相對獨立系統中最為核心的天體了,就像太陽系中的太陽一樣,它占據了整個恒星系質量的99.86%。由于恒星在形成時吸聚了周圍巨量的星際物質,在引力作用下不斷發生坍縮,從而核心處的溫度和壓力逐漸增高,達到一定極限后,便會在量子隧穿效應的加持下發生核聚變反應,形成向外發光發熱的炙熱天體。

白矮星的形成

宇宙中的恒星有大有小,其中質量非常巨大的恒星,最終在生命周期結束以后,會經歷超新星爆炸,最后演化為中子星或者黑洞,但是像這樣的恒星,在宇宙所有恒星陣營中所占比例是非常小的。據科學家們測算,只有大約3%,而其余的中小質量恒星(主序期質量為太陽質量8倍以內),在生命末期會演化為白矮星。

質量巨大的恒星,由于內部核聚變反應的程度異常劇烈,雖然組成物質非常豐富,體積和質量非常大,壽命卻相對較短,比如作為黃矮星的太陽,其壽命大約為100億年,而那些質量巨大的藍矮星,壽命卻只有幾億年甚至幾千萬年,它們主序期結束后基本上都會經歷超新星爆炸,一方面殘留的內核繼續坍縮形成中子星或者黑洞,另一方面通過爆炸將原有恒星表層物質全部拋灑在宇宙空間中,為下一代恒星以及行星的形成提供物質基礎。

只有那些鼎盛時期質量在8倍太陽以下的恒星,在生命結束時才會采取比較「穩重」的方式,先是內部核聚變停止后,在外層引力作用下發生劇烈的坍縮,然后重啟內核更為劇烈的核聚變,推動恒星表層物質急速發生膨脹,形成紅巨星,再接下來,恒星的外層將脫落形成一個被稱為行星狀星云的環,留下的核心將是一顆白矮星,也就是一顆沒有發生氫聚變的恒星「外殼」。

在理論上,還有一類質量更小的恒星,比如紅矮星,在生命末期不會進入紅巨星的狀態。它們只是「燃燒」掉了所有的氫,慢慢地以白矮星形式結束自己的生涯。然而,由于紅矮星消耗它們的燃料的速率,相對于其它恒星來說,實在太慢了,往往需要數萬億年的時間,這個時間長度遠遠超過了宇宙138億年的年齡,所以理論上現在宇宙中還沒有紅矮星變成白矮星的事件發生。

白矮星的基本特征

從溫度和光度來看,白矮星的表面溫度要比太陽高出很多,達到驚人的10萬攝氏度,但是即使擁有這樣的溫度,它的光度卻很低,因為其尺寸太小了,只有地球般大小。

從密度來看,由于白矮星的質量和太陽類似,但是體積只有地球般大,所以它的平均密度非常大,是宇宙中密度最大的天體之一,僅次于黑洞和中子星。通過測算,地球大小的白矮星,其表面的重力加速度將是地球的35萬倍,假設一個70公斤的人站在白矮星表面,那麼他所受到的重力將達到24500000公斤!

白矮星之所以能達到如此驚人的密度,是因為它們在坍縮過程中,其中的物質被壓縮得非常緊密,以至于電子都被擠壓在一起,形成了所謂的「電子簡并態物質」。由于恒星內部核聚變停止,向外的輻射壓消失,恒星外層物質推動著整個星體迅速、劇烈地向內發生坍縮,直至電子與電子之間提供足夠的向外壓力來阻擋這種收縮。

恒星的質量越大,向內的壓力就會越大,所以質量較大的白矮星比質量較小的白矮星的半徑更小。當形成白矮星以后,殘余的質量不會超過太陽質量的1.4倍,否則向個的壓力就會更大,電子簡并壓也阻擋不了這種壓力,只能繼續繼續坍縮為中子星甚至黑洞。

宇宙中的很多恒星,都擁有自己的行星系統。因此,當恒星進入生命尾聲膨脹為紅巨星時,會吞噬離它較近的行星,所以紅巨星階段之后演化成的白矮星,其表層的大氣物質并不純粹,往往會含有1%-3%的行星物質。所以,但凡發現白矮星的恒星系統,都表明其前身都經歷了紅巨星的膨脹階段,大量中、近距離的行星往往都會被吞噬掉,這也是為什麼科學家們在尋找類地宜居行星時,不會將白矮星作為搜尋目標的原因。

白矮星還可以繼續「升級」

白矮星,當然也只是恒星整個生命周期的一個階段,也沒有達到最終的歸宿,在恒星經歷白矮星之日算起,恒星將會變得越來越「默默無聞」,當原有剩余的能量慢慢輻射出去之后,最后歸于沉寂,形成只是由低溫簡并電子氣體組成的天體,科學家們將這個最終的歸縮稱為黑矮星,這是一種假設中的天體形態,因為從白矮星演化為黑矮星的時間太長,超過了宇宙現有的年齡,所以現在宇宙中也沒有一個黑矮星。

不過,白矮星也有「調皮」的時候,比如存在一個雙恒星系統,其中一個演化為了白矮星,另外一個是它的伴星,由于體積小還處于主序期,白矮星則有機會把伴星的部分物質吸引過來,從而作為自己的組成,不斷壯大自己的規模,當質量增加到一定程度以后,白矮星則會繼續發生坍縮,突破電子簡并壓的阻擋,形成密度更大的一種天體-中子星,實現了華麗的升級與蛻變。

如果白矮星吸收物質的規模更加巨大,那麼則有一定的幾率產生更為爆炸性的結果,那就是Ia型超新星,由于溫度和壓力升高得太快,在恒星的表層以及中部某些區域,形成了不可控的超強核聚變反應,從而引發了劇烈的超新星爆炸,從而將原來的白矮星摧毀,在宇宙空間中形成一道絢爛的煙花。

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