研究發現一顆白矮星進入結晶期成宇宙鑽石

【2023年06月29日訊】(記者林達編譯報導)對我們來說,星星就像切割過的珠寶,在天鵝絨般的夜空中閃爍。然而,對一些特殊的恆星來說,它們可能真的是鑽石

當某種類型的星星死後,屍體會冷卻變硬甚或結晶。天文學家在我們宇宙的後院就發現了一顆正處於這種狀態的白矮星(White Dwarf)。這顆白矮星主要由碳元素和金屬態的氧元素組成,距離地球僅104 光年,其溫度與質量分布表明它的中心正變得致密、堅硬、成為一顆真正的「宇宙鑽石」。

該研究論文已被王家天文學會月刊(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)接受發表,並於6月5日上傳預印本網站 arXiv

「在這項工作中,我們展示了在32秒差距(1秒差距約為3.26光年)處發現的一個新的類天狼星的四星系統,該系統由一顆結晶白矮星和三重HD 190412恆星組成,」澳洲南昆士蘭大學的亞歷山大·文納(Alexander Venner)領導的國際天文學家團隊這樣寫道。

「由於它與這些主序伴星的關聯,這是第一顆其年齡可以被外部條件所限制的結晶白矮星,我們利用了這一點來測量由白矮星核心結晶引起的冷卻延遲」。

矮星的形成過程

宇宙中的所有事物都在變化中。懸在天空中的每一顆恆星,都因原子聚變產生的光芒而熠熠生輝,總有一天會耗盡其燃料,進而演化成新的東西。

對於絕大多數恆星來說,即質量低於8倍太陽的恆星,包括太陽本身,終將變成一顆白矮星。

當燃料耗盡時,恆星的外層物質被拋入周圍空間,剩下的核心不再由聚變提供的向外壓力所支撐,將坍縮成一個超致密物體,質量大約1.4倍太陽,而大小卻只有地球或甚至月球那麼大!

白矮星中的物質被高度壓縮,但一種叫做電子簡並壓力的東西阻止了它的進一步坍縮。沒有兩個電子可以佔據相同的狀態,這使得白矮星不會變得更致密,就像中子星或黑洞那樣。

白矮星雖然暗淡無光,但仍會因余熱而發光。隨著時間的推移,它會冷卻,並且當其失去所有熱量並變成結晶碳時,預計會演化成一種叫做黑矮星的冰冷天體。

計算表明,這個過程需要很長時間,大約一千萬億年;由於宇宙只有大約138億年的年齡,我們預計不會很快找到這種黑矮星。

尋找結晶白矮星

不過,我們能做的是識別白矮星從核心處開始結晶的跡象。

在結晶過程中,白矮星內部的碳和氧原子停止自由移動並彼此連結,排列成晶格。在此過程中會釋放能量,以熱量的形式消散。

這會產生一種白矮星冷卻的平穩期或減慢期,這可以從恆星的顏色和亮度中觀察到,使它看起來比實際年齡更年輕。

為了準確測量一顆恆星的亮度,就需要精確地知道它的距離,近年來,由於蓋亞(Gaia)任務所進行的高精度恆星測繪,這一切變得更加可能。

這意味著我們現在可以更有信心地識別結晶白矮星。

文納及其同事正在使用Gaia數據來搜索多個恆星系統,方法是識別與其它恆星的關聯尚不明確的恆星。

他們最近發現一顆白矮星(記住:這些東西非常暗淡)與被認為由三顆恆星組成的系統HD 190412通過引力緊密相連。

這顆被命名為HD 190412 C的白矮星使三恆星系統變成了四恆星系統,更重要的是,其特性表明它正在經歷結晶過程。

該系統中的其它三顆恆星讓團隊能從外部限制白矮星的年齡,這是以前對已知的結晶白矮星從未做過的事情。

研究發現,該系統的年齡約為73億年,而其中白矮星的年齡約為42億年。研究人員說,這個差異是 31 億年,這表明結晶使白矮星的冷卻速度減慢了大約10億年。

就其本身而言,這種年齡推測並不足以改變白矮星的結晶模型,但這一發現及其與地球的較近距離表明,宇宙中可能存在更多這樣的系統,我們可以利用它們來對這一迷人的過程進行基準測試。

研究人員寫道:「我們認為,這個系統到地球的距離僅為32秒差距,這表明含有結晶白矮星的類似於天狼星的系統可能還很多。因此,未來的發現可能會允許對白矮星結晶模型進行更強有力的測試。」

「我們得出結論,HD 190412系統的發現為理解結晶白矮星開闢了一條新途徑。」 ◇

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