“白矮星”其实并不是真正意义上的恒星

浏览 1002 · 点赞 0 · 评论 0 · 4年前 (2020-10-30)

一颗非常明亮、非常引人注目的恒星“天狼星”，天狼星是全天凭肉眼看到最为明亮的一颗恒星，但是天狼星实际上是一个双星系统，在光学波段天狼星的光芒主要是由最亮的“天狼星A”所主导的，所以凭肉眼看不到它的半径，但是在望远镜里面可以看到“天狼星B”的踪影，天狼星B的体积非常小，光度也低很多，如果比较一下“天狼星A”和“天狼星B”的星等级，就会看到“天狼星A”的视星等是-1.45m，而“天狼星B”的视星等是8.68m，所以这两颗恒星相差是非常大的，从？绝对星等光度来看差别也很大，“天狼星A”的绝对星等是1.4m，而“天狼星B”的绝对星等是11.6m，虽然在光学波段“天狼星A”是占了绝对的主导地位。

图解：天狼星的光学波段图像

但是如果在X射线波段去看天狼星，这个时候“天狼B”是更加的明亮，“天狼A”在这里几乎是暗淡无光的。

图解：天狼星的X射线波段图像

“天狼星A”和“天狼星B”这两颗天体虽然在光学波段的主导地位是由“天狼星A”来主导的，但是在X射线波段“天狼星B”是更重要的，为此对“天狼星B”的研究就触发了“白矮星”的研究领域。

图解：双星系统·天狼星

“白矮星”的研究领域

通过对天狼星的轨道运动观测，根据开普勒定律可以测量出“天狼星B”的质量是1.05个太阳质量，这就意味着“天狼星B”是跟我们的太阳质量几乎是一样的，通过光谱的观测得到“天狼星B”的表面温度，知道了“天狼星B”的绝对星等、光度、表面温度就可以测量出“天狼星B”的半径是5×10的8次方厘米，而这个大小半径与地球的半径是相当的。

“天狼星B”的质量与太阳相当，但是它的大小却跟地球相当，因此可以得到一个非常重要的结论——“天狼B”的平均密度高到几百万克每立方厘米，比地球上的水的平均密度要高上百万倍，所以“天狼B”是一个非常特殊的天体，称之为“白矮星”。

图解：“天狼B”的观测与计算数据

“白矮星”其实并不是真正意义上的恒星，“白矮星”的密度是特别高的，所以它要稳定地维持下来，必须在内部要有一种压强和星体的引力相抗衡，但是在白矮星内部已经没有核反应了，所以依靠的是一种新的“力”，这种力称为“简并压力”，并且是主要是来自于“电子的简并压力”，在白矮星所处的高密状态上，电子是处于“简并状态”的。

通常的气体是由温度决定能级状态的，但是如果粒子的数量不断地增加，而密度越来越高，这个时候它的压强就不再由它的温度来确定了，而是由它自身的密度来决定，并且即使是在很低的温度下也可能会具有非常高的压强，这个压强是由“泡利不相容原理”所预言的。

在原子里面，如果在低温的情况下，电子总是在能量最低的基态，但是往这个空间里面不断地注入新的原子，当原子的密度越来越高的时候，基态的数目就会逐渐地被占满了，所以电子呢会不得已要去占据更高的能量状态，而由于电子的能量状态变高了，这就意味着它的运动速度变快了，所以它所产生的压强就增大了，这就是“简并压强”的来源，在白矮星内部就是通过这种简并压强来维持星体稳定结构的。

白矮星是质量小于8M恒星演化的最终产物

根据恒星演化理论，白矮星主要是来自于小质量和中等质量的恒星，从主序星开始来进行氢的核反应，然后逐渐地生成更重的氦元素、碳元素和氧元素，当核心形成了碳和氧之后，就不再进行新的反应了，恒星通过“脉动”和“星风”产生了“行星状星云’，同时核心坍缩变成了一颗白矮星。

白矮星的质量上限

由于简并压强和理想气体的“气体压强”以及“辐射压强”在本质上是有很大的差别的，所以它们所构成的星体，它的质量和半径的关系与通常的恒星是完全不一样的，最特别的地方就表现在质量越大，半径反而越小。

对于质量更大的白矮星，引力增加的程度超过了简并压强增加的程度，所以它的半径反而减小了，这就意味着随着质量的增加，白矮星的半径最终会减少到0，或者变得不稳定了会发生坍缩的现象，也就是说白矮星具有一个质量的上限，这个上限通过计算得出的值是在1.4倍的太阳质量左右，最早是由印度裔的天文学家“钱德拉塞卡”得到的，所以就把1.4倍太阳质量的白矮星质量上限，称为“钱德拉塞卡极限质量”。

一个不转动的白矮星，它的最高质量不会超过1.4倍的太阳质量，否则就会坍缩变成“中子星”。