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天文学家们发现有较大质量的白矮星似乎有个特殊的热源使它们冷却的快一些,经过天文学家们的实验排除了氖-22的同位素可能是额外加热的原因,具体的原因还在继续探索中。

当像太阳这样的恒星到达生命尽头时,剩下的物体就是白矮星。这是这颗恒星萎缩后裸露出的核心,它不再拥有核聚变的能力。白矮星能够发光,但只有残余的热量,会在数十亿年的时间里缓慢冷却、变暗。

那些冷却速度较慢的白矮星,谁是它们的保温源?氖还是铁?

图解:夜空中最亮的小天狼星A,以及它微弱的微小恒星伴星白矮星小天狼星B。天狼星B比天狼星A暗约10,000倍,二者每隔50年相互旋转一次。图源:hubblesite

但并非所有白矮星的冷却方式都一样。去年,天文学家发现某种类型的大质量白矮星比其他白矮星冷却得要慢,似乎它们有着额外的热源。不过,要弄清楚热源的具体情况却是件比较困难的事情。

好在由于新的研究,让我们知道,有件事并非如此:在恒星内部,一种富含中子的、稳定的氖同位素在沉积或向内下沉。

银河系中的大多数恒星——那些质量低于太阳8倍的恒星——注定要成为白矮星。

这种质量的恒星,没有足够的氢气和氦气参与燃烧反应,没有足够的压力来点燃剩余的碳。它们喷射出外层物质,内核坍缩成一个地球大小的球体。

那些冷却速度较慢的白矮星,谁是它们的保温源?氖还是铁?

图解:南部蟹状星云,位于半人马座南半球星座中距地球几千光年的位置。它似乎有两个嵌套的沙漏形结构,它们由双星系统中的一对旋转的恒星雕刻而成。二人组由一颗衰老的红色巨星和一颗燃尽的恒星(白矮星)组成。红色巨人正在脱落外层。这种排出的物质中的一部分被白矮星的引力所吸引。图源:hubblesite

这个地球大小的球体,主要由碳和氧组成,极其致密,最大可达到太阳密度的1.4倍。

只有一种叫做电子简并压力的力量,它是由具有相同半整数自旋的电子不能占据同一量子态而产生的向外压力,能够防止核心完全坍缩。

由于它们是如此致密,表面积又如此小,因而需要很长的时间来散热。一旦白矮星的核心停止坍缩,它的温度可以超过10万开尔文(约10万摄氏度或18万华氏度)。

天文学家认为,现在的宇宙很年轻,即使自宇宙诞生之初便存在的白矮星,也还没有足够的时间完全冷却。

那些冷却速度较慢的白矮星,谁是它们的保温源?氖还是铁?

图解:一颗小行星(左下角)在强大的LSPM J0207+3331引力作用下破碎,LSPM J0207+3331是已知最古老、最冷的白矮星,周围环绕着一圈尘埃碎片。图源:NASA

然而,质量约占大质量白矮星6%的Q谱带白矮星,冷却速度甚至比这个还要慢。根据约翰霍普金斯大学天文学家郑思豪在2019年发表的一篇论文,与其他白矮星相比,这一小部分白矮星的冷却大约要延迟80亿年。

郑和他的团队认为,在一些白矮星中发现的少量的氖的一种同位素——氖-22,可能就是额外热源。在碳氧核白矮星中,沉降到中心的氖-22可以提供额外的热量。

图解:画家概念图,展示了一个巨大的类似彗星的物体朝白矮星坠落。图源:hubblesite

伊利诺伊州立大学的马特·卡普兰领导的一个天文学家小组用分子动力学方法和相图来验证了这个假设。结果表明,这是不可能的。

虽然单晶体的沉积速率过慢,导致无法产生可被观测到的加热,但氖-22的聚集可能会潜在地加速这一过程。不过,即便如此,研究小组发现,可能性也不大。

在模拟中,他们发现,当氖-22微晶以在白矮星中的比例存在于碳氧液体中时,它们是不稳定的。

只有两种结果——要么混合物太热导致晶体熔化,氖溶解成液体,要么是整个混合物冻住了,而不会存在中间状态。

即使混合物的熔点比氖的低,但高于碳和氧的熔点,氖也会溶解。

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图解:白矮星Stein 2051 B和它下面的较小恒星似乎是近邻。但是,恒星彼此相距很远。Stein 2051 B距离地球17光年;另一颗星距离我们约有5,000光年。图源:hubblesite

研究小组还使用相图,即一种显示物质在一定温度和压力范围内的物理状态的图表,来计算混合物中需要多少氖来分离和稳定氖。

通常情况下,碳氧白矮星的氖含量约为2%。为了使氖稳定,这种混合物至少要含有30%的氖。

“总而言之,”研究人员在他们的论文中写道,“我们发现在碳氧白矮星中,不存在使氖-22富集团簇稳定的条件,因此氖-22的增强扩散也不能解释Q谱带白矮星的这种情况。”

这表明,这些Q谱带白矮星可能含有一种特殊的成分,否则难以解释额外热量的来源。

如果恒星的氖含量稍微丰富一点,大约到6%,那么单晶沉降而非星团沉降就会产生热量。和氖一样,钠和镁也不是最有可能的发热源,相对较少的含量意味着它们不能够分离而形成固体。

那些冷却速度较慢的白矮星,谁是它们的保温源?氖还是铁?

图解:一个白矮星正在从一个棕色矮星伴星上拉出物质。图源:hubblesite

反而铁族元素看起来更有可能。从碳氧混合物中分离铁,仅0.1%的量就能产生显著的热量。

研究人员说,如果某些天体物理过程能使Q谱带白矮星中的铁富集到1%,那将足以使冷却推迟数十亿年。

“因而,这促使研究人员在白矮星冷却模型加入铁元素项”,他们写道,“这将需要新的铁相图,并对团簇的分子动力学和铁团簇的特征指标进行调查,这将是未来工作的主题。”

这项研究结果已经发表在《天体物理学杂志快报》上。

原文链接:http://www.toutiao.com/a6922713144918229515

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