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標題: 白矮星 [打印本頁]

作者: laikei 時間: 2010-1-10 11:35 標題: 白矮星

白矮星（white dwarf），也稱為簡併矮星，是由電子簡併物質構成的小恆星。它們的密度極高，一顆質量與太陽相當的白矮星體積只有地球一般的大小，微弱的光度則來自過去儲存的熱能。在太陽附近的區域內已知的恆星中大約有6%是白矮星。這種異常微弱的白矮星大約在1910年就被亨利·諾瑞斯·羅素、愛德華·皮克林和威廉·佛萊明等人注意到, p. 1白矮星的名字是威廉·魯伊登在1922年取的。

白矮星被認為是低質量恆星演化階段的最終產物，在我們所屬的星系內97%的恆星都屬於這一類。, §1.中低質量的恆星在渡過生命期的主序星階段，結束以氫融合反應之後，將在核心進行氦融合，將氦燃燒成碳和氧的3氦過程，並膨脹成為一顆紅巨星。如果紅巨星沒有足夠的質量產生能夠讓碳燃燒的更高溫度，碳和氧就會在核心堆積起來。在散發出外面數層的氣體成為行星狀星雲之後，留下來的只有核心的部份，這個殘骸最終將成為白矮星。因此，白矮星通常都由碳和氧組成。但也有可能核心的溫度可以達到燃燒碳卻仍不足以燃燒氖的高溫，這時就能形成核心由氧、氖和鎂組成的白矮星。同樣的，有些由氦組成的白矮星是由聯星的質量損失造成的。

白矮星的內部不再有物質進行核融合反應，因此恆星不再有能量產生，也不再由核融合的熱來抵抗重力崩潰；它是由極端高密度的物質產生的電子簡併壓力來支撐。物理學上，對一顆沒有自轉的白矮星，電子簡併壓力能夠支撐的最大質量是1.4倍太陽質量，也就是錢德拉塞卡極限。許多碳氧白矮星的質量都接近這個極限的質量，通常經由伴星的質量傳遞，可能經由所知道的碳引爆過程爆炸成為一顆Ia超新星。

白矮星形成時的溫度非常高，但是因為沒有能量的來源，因此將會逐漸釋放它的熱量並解逐漸變冷 (溫度降低)，這意味著它的輻射會從最初的高色溫隨著時間逐漸減小並且轉變成紅色。經過漫長的時間，白矮星的溫度將冷卻到光度不再能被看見，而成為冷的黑矮星。但是，現在的宇宙仍然太年輕 (大約137億歲)，即使是最年老的白矮星依然輻射出數千度K的溫度，還不可能有黑矮星的存在。

第一顆被發現的白矮星是三合星的波江座 40，它的成員是主序星的波江座 40A，和在一段距離外組成聯星的白矮星波江座 40B和主序星的波江座 40C。波江座 40B和波江座 40C這一對聯星是威廉·赫歇爾在1783年1月31日發現的, p. 73，它在1825年再度被Friedrich Georg Wilhelm Struve觀測，1851年被Otto Wilhelm von Struve觀測。在1910年，亨利·諾瑞斯·羅素、愛德華·皮克林和威廉·佛萊明發現他有一顆黯淡不起眼的伴星，而波江座 40B的光譜類型是A型或是白色。在1939年，羅素回顧此一發現, p. 1：

我前往拜訪我的朋友，也是慷慨的恩人艾德華·C·皮克林教授。他一如往常的慈祥，自願檢視和討論我和Hinks在劍橋為觀察恆星視差所做的所有恆星光譜—還包括相互比較。這一段定期的工作證明非常有效（fruitful）—發現了許多絕對星等很黯淡的M型光譜恆星。在這個主題的交談中 (我重拉回這個主題)，我請教皮克林一些不在我的目錄中的暗星，特別是波江座 40B。很特別的，他在作充分的說明之前先寄發了摘要到觀測所的辦公室 (我想是來自佛蘭德夫人的)，說明它的光譜是A型。我對這已經有充分的了解，即使在過去亦然，但立即意識到有極端矛盾 (不一致) 的事情出現在其中，那就是表面亮度和密度的可能數值。我一定顯示了我不僅困惑，而且很沮喪，在這個完美的恆星規律上似乎出了個例外。但是皮克林微笑的對著我，並且說：這只是個例外，他可以引導我們的知識更近一步的增長，於是我們踏入了白矮星的研究領域！

對波江座 40B的光譜正式的描述是在1914年由沃爾特·亞當斯提出的。

天狼星的伴星，天狼星 B，隨後也被發現。在19世紀，對有些恆星已經能夠精確的測量出它們在位置上的微小變化。貝塞爾使用這些精確的測量確定天狼星 (大犬座 α)、南河三 (小犬座 α)的位置都有些變動，在1844年他預言這兩顆恆星都有看不見的伴星：

如果我們認為天狼星和南河三是雙星，它們變動位置的行為就不會使我們驚訝了；我們應該知道這是必須的認知，並且是由觀測所獲知的唯一資訊。但光度沒有提供質量的性質，有哪麼多看得見的星星，並不能證明沒有許多看不見的星星。

貝塞爾粗略的估計出天狼星伴星的軌道週期是半個世紀 C. H. F. 彼得在1851年也計算出一個週期。直到1862年1月31日，格雷厄姆·克拉克才看見這顆緊挨著天狼星的伴星，然後就證實了這顆預期中存在的伴星，沃爾特·亞當斯在1915年宣布天狼星 B的光譜和天狼星相似。

在1917年，范·馬南發現了一顆孤獨的白矮星，現在被稱為范馬南星。這三顆白矮星，最早發現的，是所謂的經典的白矮星, p. 2。終於，有許多的黯淡的白色恆星被發現，它們都有高自行，表示都是緊鄰地球的低光度天體，因此都是白矮星。。威廉·魯伊登在1922年要說明這種天體時，似乎是第一個使用白矮星這個名詞的人，稍後這個名詞經亞瑟·愛丁頓而通俗化了。儘管有各種的懷疑，第一顆非經典的白矮星大約直到1930年代才被辨認出來。在1939年已經發現了18顆白矮星, p. 3，在1940年代，魯伊登和其他人繼續研究白矮星，到1950年發現已經超過一百顆的白矮星，到了1999年，這個數目已經超過2,000顆之後的史隆數位巡天發現的白矮星就超過9,000顆，而絕大多數都是新發現的。

組成和結構

雖然在已知的白矮星中，質量估計最低是0.17 ，最高是1.33太陽質量，但質量分佈明顯的在0.6太陽質量處是個高峰，大多數的質量都在0.5至0.7太陽質量之間。被觀測過的白矮星半徑估計在0.008和0.02太陽半徑之間。相較於地球的半徑是太陽的0.009，白矮星將相當於太陽的質量封裝在只有太陽的百萬分之一，與地球相似的體積內，因此白矮星的平均密度大約是太陽密度的百萬倍，幾乎是106公克 (1噸) / 立方公分。白矮星是所知天體中密度最大的之一，只有其他的緻密天體，像是中子星、黑洞和假設可能存在的夸克星能超越它。
白矮星在被發現之後就被確認是密度極端高的天體。如果一顆在聯星系統的恆星，像是天狼星 B和波江座40B，是可以從聯星的軌道估計出它的質量的。在1910年對天狼星 B這樣做過，得到的質量是0.94太陽質量 ( 現代的估計是1太陽質量)。由於高溫恆星的輻射量大於低溫恆星，恆星的表面亮度可以從有效表面溫度，也可以從光譜來估計。如果知道恆星的距離，它的整體光度也能估計出來。從這兩種圖表可以比較出恆星的半徑，由推理排出來的順序讓當時的天文學家非常困惑，因為天狼星 B和波江座 40B必須有非常高的密度。例如，當Ernst Öpik在1916年估計一些聯星的密度時，他就發現波江座 40B的密度超過太陽25,000倍以上，使他認為是"不可能的" 。如同亞瑟·史坦利·愛丁頓在1927年之後寫道我們透過星光之中的訊息來學習與了解星星。當我們解讀了天狼星伴星所傳來的光訊息之後，我們得到以下的解譯:"組成我的材料的密度，是比你所見過任何材料的密度都要高3000倍；光是一塊小到可以放進火柴盒裡的這種材料，它的重量就可以超過一噸。"看到此訊息我們能做何回應?在1914年，我們通常只會有一種回應-"閉嘴，別盡說些荒唐話。"
正如愛丁頓於1924年指出的那樣，根據廣義相對論，天狼B的光線將發生引力紅移。1925年，亞當斯的觀測證實了引力紅移存在。

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