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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。

“白矮星”其实并不是真正意义上的恒星

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。

“白矮星”其实并不是真正意义上的恒星

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。

“白矮星”其实并不是真正意义上的恒星

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”。

“白矮星”其实并不是真正意义上的恒星

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。

“白矮星”其实并不是真正意义上的恒星

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”其实并不是真正意义上的恒星

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”。

 

“白矮星”其实并不是真正意义上的恒星

为什么把8个太阳质量的白矮星作为前身的上限?

通过对演化理论的研究发现,只有当它的初始质量小于8倍太阳质量的时候,最终形成的核质量才小于“钱德拉塞卡极限质量”,它才能够形成一颗稳定的白矮星。如果初始质量更大,这个时候它所产生的核就不再以白矮星的形式来存在了。

 

“白矮星”其实并不是真正意义上的恒星

当恒星的核心演化成一颗白矮星之后,它后续的演化主要就是白矮星的冷却过程,目前观测到大量的白矮星都是通过观察它冷却所产生的紫外和光学辐射来得到的,在”赫罗图“上白矮星就位于”主序带“的下方,这是白矮星所占据的位置。

“白矮星”其实并不是真正意义上的恒星

图解:白矮星所占据的位置

对白矮星认识的总结

白矮星

-在高密的状态下电子处于“简并状态”。

-根据量子力学中的“泡利不相容原理”,简并电子可以产生很高的压强。

-大小只依赖于密度,密度越高,压强越高。

-在星体内部与引力抗衡的是简并电子压强。

白矮星的质量上限

-随着白矮星的质量增大,引力比简并压强增大得更快,半径反而减小。

-当质量增加到-14M时,白矮星无法保持平衡状态,将发生坍缩现象。

-质量是太阳1.4倍的白矮星质量上限称为“钱德拉塞卡极限质量”。

“白矮星”其实并不是真正意义上的恒星

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