炽热发白的白矮星对于很多读者尤其是喜欢天文的读者而言,脉冲星与白矮星都是比较熟悉的概念。脉冲星与白矮星都是恒星死亡后的产物,都具有非常高的密度。那么,科学家近期发现的白矮脉冲星又是什么?它们本质上是白矮星还是脉冲星?它们是怎么产生的?这是赛先生2017科普创作协同行动的第4篇文章。
白矮星为什么被称为白矮星?因为它们又白又矮。它们温度高,因此颜色是白的;它们亮度很低,因此被称为矮星。
星体温度越高,亮度越大;星体表面积越大,亮度也越大。白矮星的温度很高,那么它们理应很亮,但事实上它们很暗。这又是为什么呢?这是因为它们的表面积太小了。由于表面积小,所以半径也就小,体积也就小,它们的体积与地球差不多。既然如此,它们应该很轻了吧?并不是。它们其实很重,大约有一个太阳那么重,因此有几百万个地球那么重。
由于它们的体积和地球差不多,所以白矮星的密度是地球密度的几百万倍,只要一根小指头那么大,就有上万斤。
白矮星是怎么来的?从与太阳差不多大的那些恒星,到质量低于8个太阳的恒星,它们在烧完星体中心可以燃烧的氢之后,就会点燃核心的氦,在中心烧出碳和氧,最后,它们的中心收缩为一颗碳和氧为主的白矮星。还有一些质量很低的恒星,中心烧出氦之后,因为温度不够高,无法烧出碳和氧,它们就形成了氦为主的白矮星。
宇宙中一些碳氧白矮星就是一颗颗巨大的钻石。我们的太阳在几十亿年以后就会在中心形成一颗碳氧白矮星。这些巨大的钻石有地球那么大,但有太阳那么重。当然,氦白矮星没有这份“荣耀”,因为钻石的化学成分是碳。
第一颗白矮星于1910年被Russell、Pickering与Fleming通过光谱分析正式确认。天文学史上最著名的白矮星是天狼星A的伴星——天狼星B。
白矮星的质量不可以无限大,绝大多数白矮星的质量不会超过1.4太阳质量,除非有快速的旋转或者强烈的磁场。这个质量最大值被称为“钱德拉锡卡极限”,因为钱德拉锡卡首先计算出大概的数值。两颗与太阳差不多质量的白矮星撞击,或者一颗白矮星吸取了过量的物质,都会导致质量超过这个极限,进而导致猛烈的核聚变爆炸(热核爆炸),形成热核爆炸超新星,其光谱型被称为“Ia型”。
1932年,Chadwick在试验中发现了中子。不久后,Landau提出,宇宙中有一种星体几乎完全由中子组成,这就是中子星。1934年,Baade与Zwicky提出,超新星爆发后会留下中子星。要想让星体成为中子星,就要求组成星体的原子中的电子必须被压入原子核中,与原子核中的质子结合为中子,这样,整个星体就几乎全是中子。当星体被压缩到这种程度时,它的密度就可以与原子核密度相提并论。
一个太阳那么大的星体,如果被压缩为一个中子星,它的半径就只有大约10公里。
在中子星的概念被提出之后的40多年间,大多数天文学家不相信宇宙中有中子星,这期间,最重要的理论工作就是:奥本海默(原子弹之父)与合作者研究了中子星的性质,断定中子星有一个最大质量,这个最大质量被称为“奥本海默极限”。后来的学者修正了这个研究结果,断定这个极限质量大约是2到3个太阳质量。
1967年11月28日,Hewish的研究生Bell在监测Hewish与Ryle建立的射电望远镜阵列接受的辐射信号时,发现了一个周期性变化的信号,就像脉搏跳动一样,周期为1.33秒。尽管二人一开始开玩笑地认为这是传说中的“外星人(小绿人,little green men,LGM)”发出的信号,但在1968年的一期《自然》杂志发表的论文中,他们依然严肃地猜测这可能是白矮星或者中子星的闪烁辐射。
同年,Gold在下一期的《自然》杂志用中子星的“灯塔模型”解释了这个信号,这个源也被命名为“脉冲星”。因此,这是第一颗被发现的脉冲星,也自然是第一个被发现的中子星。
简单说,脉冲星就是快速转动的中子星。它们的磁场非常强,因此会沿着磁轴方向发出大量辐射,同时转动变慢。在这个过程中,将自转能转化为辐射。
如果它们的辐射周期性地扫过地球,因而被地球上的望远镜或者地球上空的卫星观测到,它们就被人类称为“脉冲星”。因此,“脉冲星”这个叫法本身并不能体现出这些天体的本质,它们本质上其实是中子星。如果有些中子星的辐射始终没有朝向地球,但通过其他方式被人类发现,那就只能被称为“中子星”,而不能被称为“脉冲星”。
白矮脉冲星就是辐射行为像(中子)脉冲星的白矮星。
此前人类发现了大量白矮星,但没有一颗具有这样的行为,因此都被认定为普通的白矮星。现在,人们首次发现了白矮脉冲星,它们就如同白矮星中的战斗机。因此,从现在开始,我们可以将脉冲星细分为“中子脉冲星”与“白矮脉冲星”,前者就是我们熟悉的“脉冲星”。不过,现在没有如此严格区分命名,这是因为“中子脉冲星”在过去50年中已经被大量发现,而“白矮脉冲星”只是首次被发现。
白矮星在一百多年前就已被发现,但“白矮脉冲星”却直到去年才被发现。今年1月23日,发现“白矮脉冲星”的相关的研究论文正式在《自然·天文》(Nature Astronomy)出版,作者分别是Buckley(南非天文台),Meintjes(南非自由州大学物理系),Potter(南非天文台),Marsh(英国华威大学物理学)与Gänsicke(英国华威大学物理学)。
总结,白矮脉冲星本质就是一个白矮星。由于转动变慢,它将其转动能转化为辐射。由于存在磁偏角,所以它的辐射周期性扫中它的伴星,导致伴星亮度出现周期性的强烈变化。我们甚至可以很合理地推测,之前发现的大量白矮星中,有一部分的性质与这次发现的星体性质很类似,只不过它们的辐射没有扫中合适的伴星并使后者出现剧烈变化,因此无法确认出它们“类似于脉冲星”的性质。