年迈恒星在核能耗尽冷却后会变成?颗“钻?星球”

2023-09-15

海外星云 2023年9期

当我们仰望夜空，星星看上去就像是切割过的珠宝，在天鹅绒般黑暗的夜空中闪闪发光。而对于这些星星中的一部分来说，它们确实是真的“钻石”。

当某种类型的死星冷却时，它会逐渐变硬并结晶。白矮星是一种已经耗尽了核燃料的恒星，它们的质量大约和太阳相当，但是体积却只有地球的几分之一。白矮星在宇宙中很常见，但是它们的演化过程还有许多未解之谜。其中一个有趣的现象就是白矮星的结晶，也就是白矮星内部的碳和氧原子停止運动，形成键并排列成晶格结构。这个过程会释放出大量的能量，使得白矮星的冷却速度变慢。如果结晶足够彻底，白矮星就会变成一颗硬如钻石的天体。

1992年，科学家们在半人马座天区发现了一颗距地球50光年、质量相当于1.1个太阳的白矮星BPM 37093。观测发现它有脉动的振荡，科学家由此推测其内部已经大部分冷却结晶。这颗白矮星主要由碳构成，而在地球上碳的结晶形态就是钻石，因此有的科学家把它比喻成一颗超大型的钻石。这颗钻石有多大呢？估计有5x1029千克，即25亿亿亿亿克拉。相比之下，地球上最大的钻石“非洲之星”只有530克拉。科学家们开玩笑说，就算全世界的富人加在一起也买不起这么大的钻石。他们根据“甲壳虫”乐队的一首歌《戴着钻石的露西在天空中飞翔》给它起了一个昵称：“露西”。

白矮星是一种极为稠密的天体，它的质量与太阳相近，但半径只有太阳的1/100，密度则达到了惊人的百万倍太阳密度。白矮星是宇宙中一种相当普遍的天体，因为在恒星演化的最后阶段，大部分的恒星都会变成白矮星。然而，白矮星背后的奥秘和科学价值却一直是科学家们关注的焦点。

最近，一群来自澳大利亚、加拿大和美国的天文学家发现了一颗正在结晶的白矮星，它位于距离我们大约104光年的一个四重星系统中。这个系统被命名为HD190412，其中包括两对双星。其中一对双星是两颗类太阳恒星，另一对双星则是一颗红矮星和一颗白矮星。这颗白矮星被命名为HD190412C，它的质量是0.6倍太阳质量，表面温度是1.1万开尔文。天文学家通过观测它在赫罗图上的位置，推断出它正在经历结晶过程。

这颗白矮星晶体是否为钻石尚不得而知，白矮星的密度约为每立方米100万公斤，而钻石的密度约为每立方米3500公斤。密度更高的碳的同素异形体确实存在；另一方面，太空中也确实漂浮着大量的钻石。

这颗白矮星非常特殊，因为它是第一颗被确认正在结晶且总年龄可以被外部限制的白矮星。这意味着我们可以通过比较它和其他恒星在该系统中的年龄差异，来检验白矮星结晶模型的正确性。如果没有结晶效应，白矮星应该比其他恒星更老，因为它们是从更大更亮的恒星演化而来的。但是如果有结晶效应，白矮星会看起来更年轻，因为它们冷却得更慢。

天文学家使用了多种方法来估计HD190412系统中各个恒星的年龄。他们发现，HD190412C看起来比其他恒星年轻了31亿年左右。这个结果虽然没有达到统计显著性，但是与最近提出的一个假设相符合。这个假设认为，在白矮星结晶过程中，氖Ne同位素会发生相分离，也就是从液态核心沉淀到固态外壳中。这个过程会释放出更多的能量，并增加白矮星冷却延迟的幅度。

HD190412系统是一个类似于天狼星的系统，因为天狼星也是一个由一颗类太阳恒星和一颗白矮星组成的双星系统。但是，天狼星的白矮星还没有开始结晶，所以不能用来测试结晶模型。而HD190412系统则提供了一个更好的实验室，让我们可以探索白矮星结晶的奥秘。天文学家认为，类似于HD190412的系统在太阳附近应该很常见，未来的发现可能会为白矮星结晶模型提供更强有力的检验。

宇宙中的一切都必然会发生改变。悬挂在天空中的每一颗恒星，都因原子聚变产生的光而闪闪发亮，总有一天会耗尽燃烧的燃料，进化成新的东西。对于绝大多数恒星（那些质量低于太阳8倍的恒星，包括太阳）而言，那将是一颗白矮星。

当燃料耗尽时，恒星的外层物质被剥离到周围的空间中，剩下的核心也不再受到核聚变提供的向外压力的支持，将坍缩成一个超高密度的物体，大小与地球（甚至月球）相当，但质量相当于1 . 4个太阳。

白矮星中的物质被高度压缩，但它会被一种叫做“ 电子简并压力”的东西阻止进一步的坍缩。没有两个电子可以占据相同的状态，这使得白矮星不会变得更稠密，就像在中子星或黑洞中看到的那样。