名侦探柯南事务所

标题: [2006.06.22] 〖天文生物探索部〗（天文组）白矮星,黑矮星,棕矮星[整理+收集] [打印本页]

作者: snoopy1992 时间: 2006-6-22 07:44
标题: [2006.06.22] 〖天文生物探索部〗（天文组）白矮星,黑矮星,棕矮星[整理+收集]
恒星生命期
分子云|原恒星|主序星|红矮星|白矮星|黑矮星|红巨星|超红巨星|超新星|中子星|黑洞

白矮星
白矮星是恒星演化末期产生的天体。这些恒星不能维持核聚变反应，所以在经过氦闪进化到红巨星阶段之后，他们会将外壳抛出形成行星状星云，而留下一个核聚变产生的的高密度核心，即白矮星。
由于缺乏能量的来源，白矮星会逐步释放热能而发光而冷却。其核心靠电子的斥力对抗重力，其密度可达每立方厘米十吨。电子斥力不足以支持超过1.4倍太阳质量的白矮星，外壳的重力会进一步使恒星塌缩成中子星或者黑洞。这个过程中经常伴随着超新星爆发。
释放能量会造成恒星逐步冷却，表面温度逐渐降低，恒星的颜色也会随之变化。经过数千亿年之后，白矮星会冷却到无法发光，成为黑矮星。但是目前普遍认为宇宙的年龄（150亿年）不足以使任何白矮星演化到这一阶段。

白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点。在红巨星阶段的末期，恒星的中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段而停止产生能量（产生比铁还重的元素不能产生能量，而需要吸收能量）。恒星外壳的重力会压缩恒星产生一个高密度的天体。
一个典型的稳定独立白矮星具有大约半个太阳质量，比地球略大。这种密度仅次于中子星和夸克星。如果白矮星的质量超过1.4倍太阳质量，那么原子核之间的电荷斥力不足以对抗重力，电子会被压入原子核而形成中子星。
大部分恒星的演化过程都包含白矮星阶段。由于很多恒星会通过新星或者超新星爆发将外壳抛出，一些质量略大的恒星也可能最终演化成白矮星。
双星或者多星系统中，由于星际物质的交换，恒星的演化过程可能与单独的恒星不同，例如天狼星的伴星就是一颗年老的大约一个太阳质量的白矮星，但是天狼星是一颗大约2.3个太阳质量的主序星。

历史上的发现
1892年，Alvan Graham Clark发现了天狼星的伴星。根据对恒星数据的分析，这个伴星的质量约一个太阳质量，表面温度大约25000K，但是其光度大约是天狼星的万分之一，所以根据光度和表面积的关系，推断出其大小与地球相当。这样的密度是地球上的物质达不到的。1917年，Adriaan Van Maanen发现了目前已知离太阳最近的白矮星Van Maanen星。
在十九世纪二十年代发现了量子理论之后，Ralph H. Fowler于1926年建立了一个基于费米-狄拉克统计的解释白矮星的密度的理论。
1930年，苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡发现了白矮星的质量上限（钱德拉塞卡极限），并因此获得1983年的诺贝尔物理学奖。

白矮星的密度为什么这样大呢？

　　我们知道，原子是由原子核和电子组成的，原子的质量绝大部分集中在原子核上，而原子核的体积很小。比如氢原子的半径为一亿分之一厘米，而氢原子核的半径只有十万亿分之一厘米。假如核的大小象一颗玻璃球，则电子轨道将在两公里以外。

　　而在巨大的压力之下，电子将脱离原子核，成自由电子。这种自由电子气体将尽可能地占据原子核之间的空隙，从而使单位空间内包含的物质也将大大增多，密度大大提高了。形象地说，这时原子核是“沉浸于”电子中。

　　一般把物质的这种状态叫做“简并态”。简并电子气体压力与白矮星强大的重力平衡，维持着白矮星的稳定。顺便提一下，当白矮星质量进一步增大，简并电子气体压力就有可能抵抗不住自身的引力收缩，白矮星还会坍缩成密度更高的天体：中子星或黑洞。

　　对单星系统而言，由于没有热核反应来提供能量，白矮星在发出光热的同时，也以同样的速度冷却着。经过一百亿年的漫长岁月，年老的白矮星将渐渐停止辐射而死去。它的躯体变成一个比钻石还硬的巨大晶体——黑矮星而永存。

黑矮星
黑矮星 (Black dwarf) 是类似太阳大小的白矮星继续演变的产物，其表面温度下降，停止发光发热。由于一颗恒星由形成至演变为黑矮星的生命周期比宇宙的年龄还要长，因此现时的宇宙并没有任何黑矮星。
假如现时的宇宙有黑矮星存在的话，侦测它们的难度也极高。因为它们已停止放出辐射，纵使有也是极微量，且多被宇宙微波背景辐射所遮盖，因此侦测的方法只有使用重力侦测，但此方法对于质量较少的星效用不大。
和褐矮星不同的是，褐矮星质量太少，其重力不足以把氢原子产生核聚变，黑矮星由于有足够质量，在它们主序星的年代能够发光发热。

棕矮星
棕矮星（Brown dwarf）是类恒星天体的一种，质量约为5至90个木星之间。与一般恒星不同，棕矮星由质量不足，其核心并不会融合氢原子来发光发热，无法成为主序星。但它们的内部及表面均呈对流状态，不同的化学物质并不会在内部分层存在。现时人们仍在研究棕矮星在过往是否曾经在某位置发生过核聚变，已知的是，质量大于13个木星的棕矮星可融合氘。

棕矮星原先被称为“黑矮星”，代表在字宙间漂浮的类恒星天体或质量不足以发生核反应的天体。但“黑矮星”一词现时是指一些停止发光，并已死亡的白矮星。
早期的恒星模型指出，一个天体欲成为真恒星，必须拥有80个以上的木星质量，以产生核反应。“棕矮星”的理论最初于1960年代早期提出，指其数量可能比真恒星多，由于未能发光，要寻找也颇为困难。它们会释出红外线，可凭地面的红外线侦测器来侦测，但由提出至证实发现足足用了数十年。
近期的研究则指出，恒星能发光发热除取决于质量外，也包括其内含的化合物。一些棕矮星的质量达到90个木星仍不能点燃内部的氢。还有当一团星云塌缩时，除产生恒星外，也会产生不发光的棕矮星，其质量少于13个木星。
首个棕矮星于1995年得到证实，至今已有百多个。现时普遍认为棕矮星是银河系中数目最多的天体之一，较接近地球的棕矮星位于印第安座的阿普赛龙星，该恒星拥有两颗棕矮星，距离太阳12光年。