奇怪,恒星明明已经死亡,却反而更热了,死亡恒星为何也有热源

大约再过50亿年,我们的太阳就要结束主序星阶段,迎来它命运的终点。到那个时候,太阳的外壳将会开始膨胀,而内核则开始收缩,最终留下一颗白矮星。

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白矮星是宇宙中大部分天体的归宿,但却不是终点。这种密度惊人的天体还拥有着极高的温度,甚至比主序星时期还要更热。虽然已经失去了核聚变产生能量,但它可能需要数万亿年才会彻底降温,变成一颗黑矮星。也就是说,在我们这个形成了138.2亿年的宇宙中,至今还没有一颗真正的黑矮星诞生。

奇怪的是,科学家发现,同样是白矮星,有一部分的降温速度明显比自己的同类要慢得多。由于辐射是相同的,那么科学家合理地推测:这些白矮星或许还有一个热源。

这就奇怪了,既然白矮星是死亡的恒星,已经没有核聚变了,它的热源又是从何而来的呢?

根据天文学家的计算,如果一颗恒星的质量小于太阳的8倍,那么它演化末期时内核的质量就无法超越钱德拉塞卡极限,只能变成一颗白矮星。就像我们开篇介绍的,白矮星的外壳会膨胀成为一个巨大的星云,然后弥散到宇宙中消失不见;而它的内核在结束氢聚变后,还会进行一段时间的氦聚变。最终,留下的白矮星的主要成分就是碳和氧,其质量最大可达太阳的1.4倍,表面温度则高达几千甚至数万摄氏度,核心温度更是可以超过10万摄氏度!

要知道,太阳的体积在银河系能排进前20%。由此可见,宇宙中只有极少一部分天体能够超越白矮星。只有整体质量超过太阳8倍,或者内核质量超过太阳的1.4倍,这颗恒星内核的巨大引力才会突破一种叫做电子简并的压力,以至于使内核彻底崩溃,形成更加致密的中子星。

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作为致密星的一种,白矮星体积非常小,尽管质量可能比太阳还大,但是它们的体积甚至可能比行星还小。表面积小,就意味着散热要更慢一些。再加上十万摄氏度的超高温内核,以及宇宙空间的高度真空导致无法实现热对流、热传导等方式来实现导热,因此白矮星的降温是一个极其漫长的过程,以至于都超过了宇宙的年龄。

在所有白矮星中,有大约6%属于一种独立的分类,叫做Q支白矮星。它们的速度,甚至比上面说得还要慢。2019年的时候,约翰·霍普金斯大学天文学家程思浩所领导的一项研究表明,这种白矮星和其他白矮星相比,降温过程要推迟大约80亿年的时间。这个时间已经超过许多恒星的寿命了,因此非常值得注意。

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当时,程思浩等人在研究后认为,白矮星中被发现的极少量的氖的同位素——氖-22或许是这类白矮星的额外热源。在氖-22向白矮星核心处下落的过程中,可能会产生额外的热量,为白矮星加温。

但是,最近来自伊利诺伊州立大学的Matt Caplan所领导的一支科学团队则在《天体物理学杂志通讯》上提出了一种新的观点。他们在利用分子动力学模拟和相图对程思浩等人的研究进行了验证,结果发现氖-22作为白矮星的热源是不太可能发生的事。

这是因为,在模拟的过程中他们发现:在以碳和氧为主的白矮星内部,氖-22微晶是不稳定的。它会有两种命运——

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碳和氧的混合物温度过高,导致微晶融化,氖-22溶解到液体混合物中;

包括氖-22在内的混合物凝固。

就算混合物的温度不足以将微晶融化,但也超过了碳和氧的熔点,依然会导致氖-22的溶解。

接下来,他们利用相图进行了分析,看看混合物中氖的含量需要达到多少才能不被完全溶解并保持稳定。所谓的相图,指的是对混合物中不同成分在不同比例、温度或压力条件下的状态变化进行描述的图像,比如合金的相图等等。

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(图片说明:研究团队绘制的碳-氧-氖三元相图)

研究团队在相图中发现,如果氖要在白矮星中保持平衡,其含量需要达到30%。然而事实是,一颗白矮星内氖的含量一般不超过2%,远远达不到这个要求。

所以,研究人员在论文中明确表示:“综上所述,我们认为碳-氧白矮星内部没有氖-22成团富集并保持稳定的条件。因此,我们不能用氖-22的增强扩散来解释Q支白矮星的问题。”

如果不是氖-22,那这种白矮星的额外温度又是从何而来的呢?

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研究人员认为,虽然氖-22成团沉降的方式不太可能,但如果是单粒子沉降,还是有一点点可能的,不过这要求氖-22的含量达到6%。另外,他们也考虑了钠和镁,它们都是离碳和氧不远的元素,同样也有形成的可能。不过他们发现,和氖一样,含量比较少的情况下,这两种元素也不会稳定存在。

最后,他们找到了铁族元素。研究人员指出:和上述几种元素不同,铁可以很好地在碳氧混合物中独立存在,并且只需要0.1%的含量,就可以产生出足够多的热量。

计算结果表明:如果有一些天体物理学过程能够在白矮星内的铁含量富集到1%的程度,就足够让它的冷却时间延长数十亿年!

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研究人员指出:“总之,这项研究提出了白矮星的冷却模型中需要有铁的加入,这就需要一个含有铁元素的新相图,以及一个通过铁族元素富集和粒度特征分子动力学进行的调查,这也是未来工作的主要目标。”

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