第1个回答 2022-06-10
在宇宙之中，白矮星是最暗的恒星之一。但即便如此，自19世纪中期科学家们通过光学望远镜观测到第一颗白矮星以来，这种恒星类别一直吸引着天文学家们的注意力。之所以会引起这种兴趣，不外乎两个原因。其一，白矮星代表了一种有趣的物质状态; 其二，它是大多数恒星、包括我们的太阳的最终命运。当它们到达生命周期的最后阶段，核心以外的物质都抛离了恒星本体，并向外扩散成为星云，而残留下来的内核就是成为了白矮星。当一颗恒星坍缩成白矮星，引发了白矮星的悖论，我们应该如何通过 “停车场”了解其工作原理，而观察新形成的白矮星的性质又有哪些方法？
一颗恒星经历了能源危机的时候，就是当这颗恒星基本不可再生的能源氢气用完时，此时它的核心开始崩溃，在塌缩的芯的边缘上的“氢壳”也将被压缩和加热。在氢聚变反应之后，将在核心进行氦聚变，氦燃烧成碳和氧的三氦聚变过程，被科学家们称为恒星所存在的“ 红巨星 ”阶段。在红巨星阶段之后的大约一亿年，所有恒星的可用能源资源都将耗尽，氦开始聚变成碳，但随着中心附近的温度继续上升，使得碳也转变为了其他元素，并且，红巨星外部也开始发生不稳定的脉动振荡。当恒星的不稳定状态达到极限后，红巨星便会进行爆发，疲惫不堪的红巨星将从外层喷出，留下一个热芯。
当天文学家首次发现这些天体之时，这个热核被称为Wolf-Rayet型恒星，这颗恒星的表面温度约为50000摄氏度，存在于每小时600万公里的“快速”风中，它的外层猛烈地沸腾。来自该星球的辐射，加热缓慢移动的红色巨大气氛，并形成一个复杂而优雅的细丝形状的壳，被称为行星状星云，当我们用小型望远镜观察时，它看起来就像行星的圆盘。科学家们通过X射线图像，显示了由快速恒星风压缩和加热的数百万度气体云。而最终，恒星中心将坍缩形成一颗新的白矮星。
白矮星具有低光度、高密度、高温度的特点，处于恒星演化的末期阶段，外部覆盖一层氢气与氦气，主要由碳构成。虽然根据观测资料统计数据来看，宇宙中大约有3%的恒星是白矮星，但理论分析与推算则认为，白矮星的数量应该会占全部恒星的10%左右。至于白矮星的冷却速率，则基本上依赖于两个方面，首先，其内部储存了多少热能；其次，能量从热的内核以多快的速率经过稀薄而不透明的外层损失掉。一颗与地球体积相当的白矮星的表面重力，约等于地球表面的18万倍，处于如此高压力下的白矮星，任何物体都已不复存在，就连原子都会被压碎了，电子脱离了原子轨道变为自由电子。
在白矮星状态下，恒星中包含的所有物质，减去在红巨星阶段中被吹走的数量，都将被填充到原始恒星大小的百万分之一的体积中。而用这种材料能制成橄榄大小的物体，大约与 汽车 的质量相同！在恒星坍缩形成白矮星之后的十亿年左右，它是“白色”的高温球体，其表面温度约为2万摄氏度。当它们第一次被发现时，白矮星给天文学家带来了悖论。如果白矮星不能通过核聚变产生能量，它怎么能产生防止其进一步坍缩所需的压力？
用莎士比亚的话来说，它似乎不可能，但它们在哪里模糊地发光，并提醒科学家他们的理论是错误的。直到物质量子理论在20世纪20年代发展出来之前，这个悖论才得以解决。该理论表明，在极高密度的所谓“退化”状态下，物质会产生一种在地面实验室中从未观察到的新型压力，这是因为量子理论禁止一个以上的电子占据相同的能量状态。要直观的了解其工作原理，我们可以从停车场这个场景出发：每个空间只允许一辆车，当有很多空地时，停车场的运动很少。
随着 汽车 偶尔的进入停车场，它会很快停了下来，但是，当停车场已满时，图片会发生变化。当驾驶员寻找空间时， 汽车 从一排移动到另一排，持续不断。无论何时打开空间，压力都会建立起来，而极其密集的物质就像一个拥挤的停车场。所有的低能量“停车位”都被采用，因此电子被迫进入更高的能量状态，不是因为它们很热，而是因为没有其他地方可以去。这便产生了“退化”电子压力，这是电子的特征，而不是所有低能态被占据的事实，正是这种压力防止了白矮星在自身重量下坍塌。
通过使用相对论和量子力学来证明退化电子压力，科学家们目前能做的只有这些。但如果白矮星的质量大于太阳质量的1.4倍，也就是所谓的Chandrasekhar极限，那么它将会继续崩溃。在双星系统中，如果附近的一颗伴星将足够的物质倾倒在白矮星上，并以将其推过钱德拉塞卡极限时，就会发生这种情况。而由此产生的白矮星坍塌和爆炸，则被认为是造成所谓的Ia型超新星的原因。因为它们很快就会变冷并变暗，所以要对白矮星进行观察是很困难的一件事。
当它们非常年轻和炎热时，它们的表面会产生X射线，在极少数情况下，X射线望远镜会提供有关新形成的白矮星性质的宝贵信息。幸运的是，还有其他可能的条件允许天文学家观察白矮星的X射线。比如，当白矮星从附近的伴星中捕获物质时，就会发生这些机会，当捕获的物质落到白矮星的表面时，它会加速并获得能量。当这种能量进入白矮星表面、或正好在白矮星表面上方的加热气体达到几百万度的温度，热气体就会在X射线中发出明亮的光芒。科学家们可以通过仔细分析这个过程，以揭示白矮星的质、旋转速度，以及物质落到它上面的速度。
在某些特殊情况下，积聚在表面上的物质会变得特别热和致密，从而导致核反应的发生。当发生这种情况时，白矮星会突然变得明亮10000倍，因为所谓的新星爆发爆炸性的将其外层吹走了。一个月左右后，这样的兴奋会结束，周期又重新开始。将白矮星视为“烧毁”或“死亡”的恒星，可能会产生一些误导，它更像是从一个阶段到另一个阶段的转变或变形。正如X射线观察证明的那样，在适当的条件下，一颗古老的恒星确实表现得非常活泼。