中国大百科全书（第2版）读书笔记02014白矮星

　　白矮星 white dwarf
　　中等质量恒星的终点星。银河系中到处都能见到。
　　白矮星想象图
　　这类星表面温度高、体积小、密度大，内部已停止核反应，仅靠残留的热发光。因个小且发白光而名为白矮星。
　　估计占恒星总数的10％（约100亿颗）。已列入白矮星星表的有2250多颗。光度非常低，只有最靠近地球的才能被探测到。
　　白矮星提供了地面实验室不能达到的物理条件。影响白矮星的物理过程已研究成熟，它们的演化可作为冷却过程处理，耗尽内部的热能需要很长的时间（100亿年）。
　　白矮星已成为除传统恒星外许多研究领域的重要工具：由确定太阳周围恒星的年龄到疏散星团的纪年和球状星团距离的确定，它们是暗晕的恒星成分和Ia型超新星的前身星等。
　　发现
　　白矮星首次在天文学里出现是1834年。那时F.W.贝塞尔正在对天空中最亮的恒星——天狼星本动进行仔细研究。
　　这颗星除了绕银河系中心缓慢运动外，还有一个微小的周期性扰动。这表明它属于一个双星系统，伴星的质量与太阳相似。这样质量的恒星在这个距离上应该是看得见的，但是却看不到。这颗星被定名为天狼B星，3年后被A.克拉克发现。
　　天狼星
　　它的光度比天狼星弱1万倍，表面温度似乎就应该很低。1920年W.S.亚当斯拍摄了它的光谱，发现它很白（表明温度在8000K以上），但决定恒星光度的因素不仅是温度，还有尺度，最可能的解释就是它的半径极小，跟地球差不多。因此，它的密度非常高，比太阳密度大百万倍。
　　白矮星巨大的自引力的支撑来源于电子简并压、粒子的量子力学行为，特别是电子的量子统计结果。电子是费米子，遵从泡利不相容原理。对于自由电子，它们的量子力学态参数受不确定度关系的限制。这两个原理认为：即使在温度绝对零度，自由电子气体也会有压力，这个压力成为电子简并压。
　　电子气体在绝对零度时没有热运动，但有上述量子力学效应引起的运动。特别是在高密度相邻两个电子之间的间隔 非常小的情况下，这两个电子的动量 至少有差值 ，否则会违反泡利不相容原理（这里忽略了由电子反平行的量子力学自旋态引起的因子）。假如 很小，相应的 必然很大。因此，压缩到高密度的电子气体，一般互相间有很高的随机速度 。这个随机运动速度能够引起比热压力高得多的简并压力。这就是白矮星支撑它本身巨大自引力的电子简并压。
　　半径和质量的关系
　　白矮星的质量越大（直到 的上限），半径就越小。
　　因为引力有利于简并物质的收缩和压紧。白矮星内原子结构被破坏，电子脱离原子核的束缚，自由地在＂简并海＂中运动。
　　白矮星的物理结构主要决定于＂电子海＂的情况，而热结构则决定于原子核的运动。由于简并电子是热的优良导体，整个白矮星内部就像一块炽热的金属。新形成的白矮星内部温度达到 K，老的白矮星则降到几百万K。虽然温度如此之高，热能仍远小于电子的静质量能量。这表明温度对保持白矮星平衡的作用是微不足道的。尽管白矮星的温度比太阳还高，但仍可正确地把它作为绝对零度来处理。
　　白矮星的内部是由一个厚度为几千米的薄层来保护的，这个薄层很不透明，是由高度绝缘的温度低于 K的非简并物质组成。这个温度虽比太阳表面高10多倍，但由于发射面积很小，总光度也就很低。白矮星因此就成了很难在远距离上探测到的暗弱星体。
　　白矮星已经耗尽了它所有的核燃料，但它之所以会发光，是因为它有非零的内部温度。它是恒星激烈燃烧后的遗迹，类似于正在冷却的余烬。当它们发射并最终到黑时，光辐射是非常微弱的。白矮星损失它的能量会继而变冷，最后与周围冰冷的宇宙达到真正的热力学平衡。这个过程中离子间的电力最后将超过离子的热运动。这些离子最后形成一个晶格，这时的白矮星是固化的白矮星。电子可通过这些晶格，呈简并性地飞快运动。
　　由此，一个固化了的白矮星在许多方面类似于地球上的金属。以白矮星为终结的恒星能静静地＂安息＂在宇宙之中。
　　白矮星的绝对目视星等在8 16等范围内，有效温度大都介于5500 40000K，大多数呈白色，少数呈黄色甚至红色。全世界合作对两千多颗白矮星已进行了光谱观测和证认，并编成星表。在恒星光谱分类中用谱型前加字母D表示，并细分为许多次型，如：DA为仅有氢的巴耳末线，无中性氦和金属线；DB为有中性氦线，无氢线和金属线；DC为连续谱，谱线的深度小于5％；DO为电离氦线强，氢和中性氦线亦存在；DZ为仅有金属线，无氢线和氦线存在；DQ为存在碳线；P为具有可测偏振的磁白矮星。
　　白矮星的磁场强度高达 高斯，有3％的磁场强度高达 高斯（此处＂磁场强度＂实际上应为＂磁感应强度＂，其单位＂高斯＂是高斯单位制中的一个单位，相应的国际单位制为＂特斯拉＂，1特斯拉=10000高斯 ）。
　　白矮星可用经典分光法直接观测它的表面和恒星大气，从而给出可靠的有效温度、表面重力和元素丰度，并推算出质量、半径和年龄等基本参数，由此可理解白矮星的性质和演化。
　　太阳周围最老的白矮星是银盘上最老的天体，由此可知银盘上恒星的形成和开始。空间望远镜（HST）对球状星团M4进行了观测，发现75颗白矮星，推断M4中有40000颗白矮星。
　　1999年10月28日钱德拉X射线天文台对天狼星拍摄了照片，在X射线波段天狼星B亮、天狼星A暗。天狼星B表面温度为25000K，半径为地球半径的90％，表面重力是地球表面的400000倍。
　　白矮星同新星和矮新星有密切的关系：许多新星和矮新星是双星，其中一个子星就是白矮星。这些新星和矮新星有一分钟到数十分钟的光度变化和X射线辐射，这可能同白矮星子星的脉动和物质吸积有关。
　　白矮星是Ia型超新星的前身星。白矮星具有很强的表面引力，很早就观测到了谱线的引力红移，为验证广义相对论提供了实测的数据。
　　摘自：《中国大百科全书（第2版）》第1册，中国大百科全书出版社，2009年