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2018-04-30

白矮星是怎么形成的?最后结局是黑洞?中子星?

白矮星是怎么形成的?最后结局是黑洞?中子星?


[精通高中天文地理知识] 要说宇宙中最奇特的天体是什么,那当然是致密星了。顾名思义,致密星就是密度非常高的星体,包括白矮星、中子星和黑洞

其中,白矮星的密度可达每立方厘米 1吨到1000吨之间,而中子星的密度更是高达每立方厘米几亿吨。

对于黑洞来说,那密度就更高了。经计算,如果把太阳压缩成一个黑洞,那么它的半径只有三公里左右,可见它的密度有多高了。

除了超高的密度之外,致密星还有一个特点,那就是其表面拥有非常强的引力场,以至于相对论效应不可忽略。白矮星表面的引力场是地球的10万倍,中子星是地球的1亿倍,黑洞更是达到了十亿倍。

这里,我们主要讲一下白矮星。

白矮星的大小和地球差不多,但密度却比地球大得多

白矮星的大小和地球差不多

提到白矮星,就不得不提一个与白矮星相关的人——钱德拉赛卡。

钱德拉赛卡是印度天体物理学家,19岁那年,它因优异的成绩获得政府奖学金,只身乘船前往英国剑桥学习。

在长达十几天的航行中,它计算出了白矮星的质量上限是1.44个太阳质量,如果超过这个上限,白矮星就会发生爆炸,这就是著名的钱德拉赛卡极限。

当时的钱德拉赛卡只有19岁,他并未将这一发现公布于世。5年后,当钱德拉赛卡公布自己发现的机会后,却遭到了绝大多数的天文学家的否定,当时的物理学界的权威艾丁顿甚至将他的论文当众撕成了两半,原因是他得出了一个“非常古怪的结论”。

钱德拉赛卡与艾丁顿的争论持续了很多年。不过,幸运的是,30年后,天文界终于承认了这个“钱德拉赛卡极限”,钱德拉赛卡本人也因此获得了诺贝尔物理学奖。

印度天体物理学家钱德拉赛卡

印度天体物理学家钱德拉赛卡

那么,钱德拉赛卡极限到底是怎么一回事呢?

要弄明白这个问题,我们需要先知道一个稍微复杂点的概念——电子兼并压。我们知道,电子围绕着原子核转,形成这样一个个电子层,每个电子都有自己的状态,并且物理上不允许两个电子处于同一状态(泡利不形容原理)。

当两个原子靠得非常近的时候,由于电子的这种“排它性”,电子层会阻碍他们进一步靠近,这个阻碍作用就是电子简并压产生的。

其实,我们可以想象,有一群小孩在玩,他们两人一组,其中一个小孩固定不动,代表“原子核”,另一个小孩围绕着他转代表“电子”,这样他们就组成了一个原子系统。

白矮星

白矮星是怎么形成的?最后结局是黑洞?中子星?

当两组“原子系统”相互靠近时,代表电子的小孩就会相互“驱赶”,使得他们不能同时占据空间中的同一位置。

其实,代表“电子”的小孩相互驱赶的力就类似于“电子简并压”,因为两个小孩不可能同时站在空间中的同一位置。

电子简并压的概念知道了,那我们来考虑钱德拉赛卡极限了。

对于中年期的恒星(主序星)来说,它之所以能保持稳定而不坍缩,是因为核反应提供的辐射压足以抗衡恒星自身的重力。但是,对白矮星来说,它已经没有核反应了,它是靠什么来抵抗自身的重力呢?答案当然是电子简并压。

恒星死亡的时候,中心核会发生坍缩,坍缩过程中原子会相互靠近,但是这种靠近并不是无限持续的。在原子相互靠近的过程中,电子简并压会逐渐发挥作用,当这个简并压大到一定数值之后,就可以完全抗衡重力了,此时,恒星再次稳定下来。

白矮星吸积伴星质量

白矮星吸积伴星质量

由此,我们知道,白矮星之所以保持稳定,是因为其内部的电子简并压抗衡白矮星自身重力的结果。

但是,电子简并压对抗重力的能力也是有限的,它能抗衡的最大质量是1.44个太阳质量。如果星体由于某种原因超过1.44个太阳质量,白矮星就会继续收缩,并且在收缩过程中爆炸变成一颗超新星,这就是Ⅰa型超新星爆发。

另外,如果白矮星一直没有超过1.44个太阳质量,它会怎样呢?我们知道,白矮星内部已经没有了热核反应,也就是说,它没有了持续的能量供应了,所以它向外辐射的能量只能依靠消耗自身的热量。

这样,白矮星就会逐渐冷却,最后变成一颗又冷又暗的“黑矮星”。

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