基本介紹
- 中文名：碳氧白矮星
- 別稱：簡併矮星
- 分類：恆星
- 發現者：威廉·赫歇爾
- 發現時間：1783年1月31
- 平均密度：大約是太陽密度的百萬倍
- 直徑：相較於地球的半徑是太陽的0.009
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基本信息
白矮星-內部結構模型圖
白矮星-內部結構模型圖在太陽附近的區域內已知的恆星中大約有6%是白矮星。這種異常微弱的白矮星大約在1910年就被亨利·諾瑞斯·羅素、艾德華·查爾斯·皮克林和威廉·佛萊明等人注意到,p.1白矮星的名字是威廉·魯伊登在1922年取的。
白矮星被認為是低質量恆星演化階段的最終產物，在我們所屬的星系內97%的恆星都屬於這一類。,§1.中低質量的恆星在渡過生命期的主序星階段，結束以氫融合反應之後，將在核心進行氦融合，將氦燃燒成碳和氧的3氦過程，並膨脹成為一顆紅巨星。如果紅巨星沒有足夠的質量產生能夠讓碳燃燒的更高溫度，碳和氧就會在核心堆積起來。在散發出外面數層的氣體成為行星狀星雲之後，留下來的只有核心的部份，這個殘骸最終將成為白矮星。因此，白矮星通常都由碳和氧組成。但也有可能核心的溫度可以達到燃燒碳卻仍不足以燃燒氖的高溫，這時就能形成核心由氧、氖和鎂組成的白矮星。同樣的，有些由氦組成的白矮星是由聯星的質量損失造成的。
說明
白矮星的內部不再有物質進行核融合反應，因此恆星不再有能量產生，也不再由核融合的熱來抵抗重力崩潰；它是由極端高密度的物質產生的電子簡併壓力來支撐。物理學上，對一顆沒有自轉的白矮星，電子簡併壓力能夠支撐的最大質量是1.4倍太陽質量，也就是錢德拉塞卡極限。許多碳氧白矮星的質量都接近這個極限的質量，通常經由伴星的質量傳遞，可能經由所知道的碳引爆過程爆炸成為一顆Ia超新星。
白矮星形成時的溫度非常高，但是因為沒有能量的來源，因此將會逐漸釋放它的熱量並解逐漸變冷(溫度降低)，這意味著它的輻射會從最初的高色溫隨著時間逐漸減小並且轉變成紅色。經過漫長的時間，白矮星的溫度將冷卻到光度不再能被看見，而成為冷的黑矮星。但是，宇宙仍然太年輕(大約137億歲)，即使是最年老的白矮星依然輻射出數千度K的溫度，還不可能有黑矮星的存在。
歷史
發現
第一顆被發現的白矮星是三合星的波江座40，它的成員是主序星的波江座40A，和再一斷距離外組成聯星的白矮星波江座40B和主序星的波江座40C。波江座40B和波江座40C這一對聯星是威廉·赫歇爾在1783年1月31日發現的,p.73，它在1825年再度被FriedrichGeorgWilhelmStruve觀測，1851年被OttoWilhelmvonStruve觀測。在1910年，In1910,亨利·諾瑞斯·羅素、艾德華·查爾斯·皮克林和威廉·佛萊明發現他有一顆黯淡不起眼的伴星，而波江座40B的光譜類型是A型或是白色。在1939年，羅素回顧此一發現,p.1：
慷慨的恩人艾德華C皮克林教授。他一如往常的慈祥，自願檢視和討論我和Hinks在劍橋為觀察恆星視差所做的所有恆星光譜—還包括相互比較—。這一段定期的工作證明非常有效fruitful—發現了許多絕對星等很黯淡的M型光譜恆星。在這個主題的交談中，請教皮克林一些不在我的目錄中的暗星，特別是波江座40B。很特別的，他在作充分的說明之前先寄發了摘要到觀測所的辦公室(我想是來自佛蘭德夫人的)，說明它的光譜是A型。我對這已經有充分的了解，即使在過去亦然，但立即意識到有極端矛盾(不一致)的事情出現在其中，那就是表面亮度和密度的可能數值。我一定顯示了我不僅困惑，而且很沮喪，在這個完美的恆星規律上似乎出了個例外。但是皮克林微笑的對著我，並且說：這只是個例外，他可以引導我們的知識更近一步的增長，於是我們踏入了白矮星的研究領域！
對波江座40B的光譜正式的描述是在1914年由沃爾特·亞當斯提出的。
天狼星的伴星，天狼星B，隨後也被發現。在19世紀，對有些恆星已經能夠精確的測量出它們在位置上的微小變化。貝塞爾使用這些精確的測量確定天狼星(大犬座α)、南河三(小犬座α)的位置都有些變動，在1844年他預言這兩顆恆星都有看不見的伴星：
如果我們認為天狼星和南河三是雙星，它們變動位置的行為就不會使我們驚訝了；我們應該知道這是必須的認知，並且是由觀測所獲知的唯一資訊。但光度沒有提供質量的性質，有哪麼多看得見的星星，並不能證明沒有許多看不見的星星。
貝塞爾粗略的估計出天狼星伴星的軌道周期是半個世紀C.H.F.彼得在1851年也計算出一個周期。直到1862年1月31日，格雷厄姆·克拉克才看見這顆緊挨著天狼星的伴星，然後就證實了這顆預期中存在的伴星，沃爾特·亞當斯在1915年宣布天狼星B的光譜和天狼星相似。
在1917年，范·瑪倫發現了一顆孤獨的白矮星，被稱為范瑪倫星。這三顆白矮星，最早發現的，是所謂的經典的白矮星,p.2。終於，有許多的黯淡的白色恆星被發現，它們都有高自行，表示都是緊鄰地球的低光度天體，因此都是白矮星。。威廉·魯伊登在1922年要說明這種天體時，似乎是第一個使用白矮星這個名詞的人，稍後這個名詞經亞瑟·愛丁頓而通俗化了。儘管有各種的懷疑，第一顆非經典的白矮星大約直到1930年代才被辨認出來。在1939年已經發現了18顆白矮星,p.3，在1940年代，魯伊登和其他人繼續研究白矮星，到1950年發現已經超過一百顆的白矮星，到了1999年，這個數目已經超過2,000顆之後的史隆數位巡天發現的白矮星就超過9,000顆，而絕大多數都是新發現的。
組成和結構
赫羅圖光譜型態棕矮星白矮星紅矮星次矮星矮星(主序星)次巨星巨星亮巨星超巨星超超巨星絕對-星等(MV)雖然在已知的白矮星中，質量估計最低是0.17，最高是1.33太陽質量，但質量分布明顯的在0.6太陽質量處是個高峰，大多數的質量都在0.5至0.7太陽質量之間。被觀測過的白矮星半徑估計在0.008和0.02太陽半徑之間。相較於地球的半徑是太陽的0.009，白矮星將相當於太陽的質量封裝在只有太陽的百萬分之一，與地球相似的體積內，因此白矮星的平均密度大約是太陽密度的百萬倍，幾乎是106公克(1噸)/立方公分。白矮星是所知天體中密度最大的之一，只有其他的緻密天體，像是中子星、黑洞和假設可能存在的夸克星能超越它。
白矮星在被發現之後就被確認是密度極端高的天體。如果一顆在聯星系統的恆星，像是天狼星B和波江座40B，是可以從聯星的軌道估計出它的質量的。在1910年對天狼星B這樣做過，得到的質量是0.94太陽質量(現代的估計是1太陽質量)。由於高溫恆星的輻射量大於低溫恆星，恆星的表面亮度可以從有效表面溫度，也可以從光譜來估計。如果知道恆星的距離，它的整體光度也能估計出來。從這兩種圖表可以比較出恆星的伴徑，由推理排出來的順序讓當時的天文學家非常困惑，因為天狼星B和波江座40B必須有非常高的密度。例如，當ErnstÖpik在1916年估計一些聯星的密度時，他就發現波江座40B的密度超過太陽25,000倍以上，使他認為是"不可能的"。如同亞瑟·史坦利·愛丁頓在1927年之後寫道,p.50：
通過接收和解釋來自星光帶給我們的訊息，我們開始認識星星。當我們解釋出天狼星伴星的訊息："我遇到的材料是比你們曾經遇到過的任何材料密度都要高3,000倍，放在火柴盒中將的一小塊這種材料，它的質量就會超過1噸。"對這樣的訊息有誰能回覆？在1914年，我們的回答幾乎都是—"閉嘴，不要說這些無意義的話。"
形成
白矮星是中低質量的恆星的演化路線的終點。在紅巨星階段的末期，恆星的中心會因為溫度、壓力不足或者核融合達到鐵階段而停止產生能量（產生比鐵還重的元素不能產生能量，而需要吸收能量）。恆星外殼的重力會壓縮恆星產生一個高密度的天體。
一個典型的穩定獨立白矮星具有大約半個太陽質量，比地球略大。這種密度僅次於中子星和夸克星。如果白矮星的質量超過1.4倍太陽質量，那么原子核之間的電荷斥力不足以對抗重力，電子會被壓入原子核而形成中子星。
大部分恆星演化過程都包含白矮星階段。由於很多恆星會通過新星或者超新星爆發將外殼拋出，一些質量略大的恆星也可能最終演化成白矮星。
雙星或者多星系統中，由於恆星質量（物質）的交換，恆星的演化過程與單獨的恆星不同，例如天狼星的伴星就是一顆年老的大約一個太陽質量的白矮星，但是天狼星是一顆大約2.3個太陽質量的主序星。
歷史上的發現
1892年，AlvanGrahamClark發現了天狼星的伴星。根據對恆星數據的分析，這個伴星的質量約一個太陽質量，表面溫度大約25000K，但是其光度大約是天狼星的萬分之一，所以根據光度和表面積的關係，推斷出其大小與地球相當。這樣的密度是地球上的物質達不到的。1917年，AdriaanVanMaanen發現了目前已知離太陽最近的白矮星VanMaanen星。
在二十世紀初由MaxPlanck等人發展出量子理論之後，RalphH.Fowler於1926年建立了一個基於費米-狄拉克統計的解釋白矮星的密度的理論。
1930年，蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡發現了白矮星的質量上限（錢德拉塞卡極限），並因此獲得1983年的諾貝爾物理學獎。
