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天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)有較大質(zhì)量的白矮星似乎有個(gè)特殊的熱源使它們冷卻的快一些，經(jīng)過(guò)天文學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)排除了氖-22的同位素可能是額外加熱的原因，具體的原因還在繼續(xù)探索中。

當(dāng)像太陽(yáng)這樣的恒星到達(dá)生命盡頭時(shí)，剩下的物體就是白矮星。這是這顆恒星萎縮后裸露出的核心，它不再擁有核聚變的能力。白矮星能夠發(fā)光，但只有殘余的熱量，會(huì)在數(shù)十億年的時(shí)間里緩慢冷卻、變暗。

圖解：夜空中最亮的小天狼星A，以及它微弱的微小恒星伴星白矮星小天狼星B。天狼星B比天狼星A暗約10,000倍，二者每隔50年相互旋轉(zhuǎn)一次。圖源：hubblesite

但并非所有白矮星的冷卻方式都一樣。去年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)某種類型的大質(zhì)量白矮星比其他白矮星冷卻得要慢，似乎它們有著額外的熱源。不過(guò)，要弄清楚熱源的具體情況卻是件比較困難的事情。

好在由于新的研究，讓我們知道，有件事并非如此：在恒星內(nèi)部，一種富含中子的、穩(wěn)定的氖同位素在沉積或向內(nèi)下沉。

銀河系中的大多數(shù)恒星——那些質(zhì)量低于太陽(yáng)8倍的恒星——注定要成為白矮星。

這種質(zhì)量的恒星，沒(méi)有足夠的氫氣和氦氣參與燃燒反應(yīng)，沒(méi)有足夠的壓力來(lái)點(diǎn)燃剩余的碳。它們噴射出外層物質(zhì)，內(nèi)核坍縮成一個(gè)地球大小的球體。

圖解：南部蟹狀星云，位于半人馬座南半球星座中距地球幾千光年的位置。它似乎有兩個(gè)嵌套的沙漏形結(jié)構(gòu)，它們由雙星系統(tǒng)中的一對(duì)旋轉(zhuǎn)的恒星雕刻而成。二人組由一顆衰老的紅色巨星和一顆燃盡的恒星（白矮星）組成。紅色巨人正在脫落外層。這種排出的物質(zhì)中的一部分被白矮星的引力所吸引。圖源：hubblesite

這個(gè)地球大小的球體，主要由碳和氧組成，極其致密，最大可達(dá)到太陽(yáng)密度的1.4倍。

只有一種叫做電子簡(jiǎn)并壓力的力量，它是由具有相同半整數(shù)自旋的電子不能占據(jù)同一量子態(tài)而產(chǎn)生的向外壓力，能夠防止核心完全坍縮。

由于它們是如此致密，表面積又如此小，因而需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)散熱。一旦白矮星的核心停止坍縮，它的溫度可以超過(guò)10萬(wàn)開(kāi)爾文（約10萬(wàn)攝氏度或18萬(wàn)華氏度）。

天文學(xué)家認(rèn)為，現(xiàn)在的宇宙很年輕，即使自宇宙誕生之初便存在的白矮星，也還沒(méi)有足夠的時(shí)間完全冷卻。

圖解：一顆小行星（左下角）在強(qiáng)大的LSPM J0207+3331引力作用下破碎，LSPM J0207+3331是已知最古老、最冷的白矮星，周圍環(huán)繞著一圈塵埃碎片。圖源：NASA

然而，質(zhì)量約占大質(zhì)量白矮星6%的Q譜帶白矮星，冷卻速度甚至比這個(gè)還要慢。根據(jù)約翰霍普金斯大學(xué)天文學(xué)家鄭思豪在2019年發(fā)表的一篇論文，與其他白矮星相比，這一小部分白矮星的冷卻大約要延遲80億年。

鄭和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，在一些白矮星中發(fā)現(xiàn)的少量的氖的一種同位素——氖-22，可能就是額外熱源。在碳氧核白矮星中，沉降到中心的氖-22可以提供額外的熱量。

圖解：畫(huà)家概念圖，展示了一個(gè)巨大的類似彗星的物體朝白矮星墜落。圖源：hubblesite

伊利諾伊州立大學(xué)的馬特·卡普蘭領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)天文學(xué)家小組用分子動(dòng)力學(xué)方法和相圖來(lái)驗(yàn)證了這個(gè)假設(shè)。結(jié)果表明，這是不可能的。

雖然單晶體的沉積速率過(guò)慢，導(dǎo)致無(wú)法產(chǎn)生可被觀測(cè)到的加熱，但氖-22的聚集可能會(huì)潛在地加速這一過(guò)程。不過(guò)，即便如此，研究小組發(fā)現(xiàn)，可能性也不大。

在模擬中，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氖-22微晶以在白矮星中的比例存在于碳氧液體中時(shí)，它們是不穩(wěn)定的。

只有兩種結(jié)果——要么混合物太熱導(dǎo)致晶體熔化，氖溶解成液體，要么是整個(gè)混合物凍住了，而不會(huì)存在中間狀態(tài)。

即使混合物的熔點(diǎn)比氖的低，但高于碳和氧的熔點(diǎn)，氖也會(huì)溶解。

圖解：白矮星Stein 2051 B和它下面的較小恒星似乎是近鄰。但是，恒星彼此相距很遠(yuǎn)。Stein 2051 B距離地球17光年；另一顆星距離我們約有5,000光年。圖源：hubblesite

研究小組還使用相圖，即一種顯示物質(zhì)在一定溫度和壓力范圍內(nèi)的物理狀態(tài)的圖表，來(lái)計(jì)算混合物中需要多少氖來(lái)分離和穩(wěn)定氖。

通常情況下，碳氧白矮星的氖含量約為2%。為了使氖穩(wěn)定，這種混合物至少要含有30%的氖。

“總而言之，”研究人員在他們的論文中寫(xiě)道，“我們發(fā)現(xiàn)在碳氧白矮星中，不存在使氖-22富集團(tuán)簇穩(wěn)定的條件，因此氖-22的增強(qiáng)擴(kuò)散也不能解釋Q譜帶白矮星的這種情況?！?/p>

這表明，這些Q譜帶白矮星可能含有一種特殊的成分，否則難以解釋額外熱量的來(lái)源。

如果恒星的氖含量稍微豐富一點(diǎn)，大約到6%，那么單晶沉降而非星團(tuán)沉降就會(huì)產(chǎn)生熱量。和氖一樣，鈉和鎂也不是最有可能的發(fā)熱源，相對(duì)較少的含量意味著它們不能夠分離而形成固體。

圖解：一個(gè)白矮星正在從一個(gè)棕色矮星伴星上拉出物質(zhì)。圖源：hubblesite

反而鐵族元素看起來(lái)更有可能。從碳氧混合物中分離鐵，僅0.1%的量就能產(chǎn)生顯著的熱量。

研究人員說(shuō)，如果某些天體物理過(guò)程能使Q譜帶白矮星中的鐵富集到1%，那將足以使冷卻推遲數(shù)十億年。

“因而，這促使研究人員在白矮星冷卻模型加入鐵元素項(xiàng)”，他們寫(xiě)道，“這將需要新的鐵相圖，并對(duì)團(tuán)簇的分子動(dòng)力學(xué)和鐵團(tuán)簇的特征指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查，這將是未來(lái)工作的主題。”

這項(xiàng)研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上。

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作者: MICHELLE STARR

FY:夢(mèng)里花

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