23.1: 低质量恒星之死
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述退化物质的物理特征，并解释退化恒星的质量和半径有何关系
- 绘制白矮星的未来演变图，并显示其可观测特征将如何随着时间的推移而变化
- 区分哪些恒星会变成白矮星
让我们从那些在死亡前的最终质量小于太阳质量约1.4倍的恒星开始（\(M_{\text{Sun}}\)）。 （稍后我们将解释为什么这个质量是关键的分界线。） 请注意，宇宙中的大多数恒星都属于这一类。 恒星的数量随着质量的增加而减少；真正巨大的恒星很少见（参见《星星：天体普查》）。 这与音乐行业类似，在音乐行业，只有少数音乐家成为超级巨星。 此外，许多初始质量远大于1.4的恒星在死亡时\(M_{\text{Sun}}\)会降至该等级。 例如，我们现在知道，起初质量至少为8.0\(M_{\text{Sun}}\)（可能高达10\(M_{\text{Sun}}\)）的恒星在一生中会减少足够的质量以适应这一类别（任何曾经尝试过减肥的人肯定会羡慕这项成就）。
危机中的明星
在上一章中，我们留下了一颗质量像太阳一样的恒星的人生故事，此前它第二次爬上了H—R图中的红巨区域，并脱落了一些外层形成行星星云。 回想一下，在这段时间里，恒星的核心正在经历 “能源危机”。 在其生命的早期，在短暂的稳定时期，核心中的氦气已经变得足够热，可以融合成碳（和氧气）。 但是在氦气耗尽之后，恒星的核心再次发现自己没有平衡重力的压力源，因此开始收缩。
这次崩溃是核心生命中的最后一个事件。 由于恒星的质量相对较低，因此它无法将其核心温度推高到足以开始另一轮聚变（就像质量较大的恒星一样）。 核心会持续收缩，直到达到相当于水密度近一百万倍的密度！ 这比地球的平均密度高20万倍。 在这种极端密度下，一种全新的、与众不同的物质行为方式启动，并帮助恒星达到最终的平衡状态。 在此过程中，恒星的剩余部分变成了我们在《星星：天体普查》中遇到的奇怪的白矮星之一。
堕落之星
因为白矮星比地球上的任何物质都要密得多，所以它们内部的物质的行为方式非常不寻常，这与我们从日常经历中知道的任何东西都不一样。 在如此高的密度下，重力异常强大，并试图进一步缩小恒星，但是所有电子都抵抗被推得更近并在核心内部施加强大的压力。 这种压力是控制电子行为的基本规则（你在《太阳：核强国》中被介绍的量子物理学）的结果。 根据这些规则（物理学家称之为保利排除原理），这些规则已在实验室的原子研究中得到验证，不能有两个电子同时在同一个地方做同样的事情。 我们通过电子在空间中的位置来指定电子的位置，然后通过其运动和旋转方式来指定它在做什么。
恒星内部的温度总是很高，以至于原子几乎所有的电子都被剥夺了。 在恒星生命的大部分时间里，物质的密度也相对较低，恒星中的电子正在迅速移动。 这意味着他们中的两个不会在同一个地方同时以完全相同的方式移动。 但是，当一颗恒星耗尽其储存的核能并开始最后的崩溃时，一切都会改变。
随着恒星的核心收缩，电子被挤得越来越近。 最终，像太阳这样的恒星变得如此密集，以至于进一步的收缩实际上需要两个或两个以上的电子才能违反禁止占据同一个地方并以相同方式移动的规则。 据说这种密集的气体是退化的（这个术语是物理学家创造的，与电子的道德特征无关）。 退化气体中的电子在巨大的压力下抵抗进一步的拥挤。 （好像电子在说：“你可以随心所欲地向内按压，但是如果不违反我们的生存规则，任何其他电子就没有空间挤进这里。”）
退化的电子不需要输入热量来维持它们施加的压力，因此，具有这种结构的恒星，如果没有任何干扰的话，基本上可以永远持续下去。 （请注意，退化电子之间的排斥力不同于具有相同符号的电荷之间的正常电气排斥力，并且比后者强得多。）
退化气体中的电子确实会像任何气体中的粒子一样四处移动，但自由度不大。 在相邻级中的另一个电子脱离之前，特定的电子无法改变位置或动量。 情况很像一场大型足球比赛结束后的停车场的情况。 车辆挤满了人，给定的汽车只有在前面的汽车移动后才能移动，留下空白的空间需要填满。
当然，垂死的恒星里面也有原子核，不仅是电子，但事实证明，在原子核的量子性质变得显而易见之前，必须将原子核压缩到更高的密度。 因此，在白矮星中，原子核不表现出退化压力。 因此，在恒星演化的白矮星阶段，阻止核心崩溃的是电子的退化压力，而不是原子核的退化压力。
白矮星
因此，白矮星是稳定、紧凑的物体，其电子退化核心无法进一步收缩。 印度裔美国天体物理学家苏布拉曼扬·钱德拉塞卡尔（Subrahmanyan Chandrasekhar）首次进行了计算，表明白矮星可能是低质量恒星的终极状态。 他能够证明在退化的电子停止进一步收缩之前，恒星会缩小多少，从而显示它的最终直径将是多少（图\(\PageIndex{1}\)）。
当钱德拉塞卡尔计算白矮星时，他发现了一些非常令人惊讶的东西：白矮星的半径随着恒星中质量的增加而缩小（质量越大，电子的封装就越紧密，导致半径变小）。 根据最佳理论模型，质量约为1.4\(M_{\text{Sun}}\) 或以上的白矮星的半径为零。 计算告诉我们的是，即使是退化电子的力量也无法阻止质量大于这个的恒星的崩溃。 恒星在生命结束时仍能变成白矮星的最大质量被\(M_{\text{Sun}}\)称为钱德拉塞卡尔极限。 生命终结质量超过这个极限的恒星有另一种结局——我们将在下一节中探讨这种结局。
Subrahmanyan Chandrasekhar
Subrahmanyan Chandrasekhar（被他的朋友和同事称为钱德拉）于1910年出生于印度拉合尔，在一个鼓励奖学金和对科学产生兴趣的家中长大（图\(\PageIndex{2}\)）。 他的叔叔 C. V. Raman 是一位物理学家，曾获得 1930 年诺贝尔奖。 钱德拉是一名早熟的学生，他试图尽可能多地阅读物理学和天文学的最新思想，尽管当时在印度获得技术书籍并不容易。 他在19岁时完成了大学学业，并获得了在英国学习的奖学金。 正是在读研究生的长途航行中，他才开始计算白矮星的结构。
钱德拉在研究生学习期间和之后提出了自己的想法，他表明，质量大于太阳质量1.4倍的白矮星不可能存在，而且该理论预测了其他种类的恒星尸体的存在。 他后来写道，在这段时间里，他感到非常害羞和孤独，与学生隔绝，害怕坚持自己的立场，有时要等几个小时才与他在印度读过的一些著名教授交谈。 他的计算很快使他与某些杰出的天文学家发生冲突，包括公开嘲笑钱德拉想法的亚瑟·爱丁顿爵士。 在多次天文学家会议上，亨利·诺里斯·罗素等该领域的领袖拒绝给钱德拉机会为自己的想法辩护，同时让更资深的批评者有充足的时间批评这些观点。
然而，钱德拉坚持不懈，写书和文章阐明了他的理论，事实证明这不仅是正确的，而且为我们对恒星之死的大部分现代理解奠定了基础。 1983 年，他因其早期作品获得了诺贝尔物理学奖。
1937 年，钱德拉来到美国，加入芝加哥大学任教，并在那里度过了余生。 在那里，他致力于研究和教学，为天文学的许多领域做出了重大贡献，从我们对恒星在银河系中的运动的理解到被称为黑洞的奇异物体的行为（参见《黑洞》和《曲线时空》）。 1999年，美国宇航局将其先进的轨道X射线望远镜（部分设计用于探索此类恒星尸体）命名为钱德拉X射线天文台。
钱德拉花了很多时间陪伴他的研究生，在他的一生中监督了50多位博士的研究。 他非常认真地对待自己的教学责任：在20世纪40年代，在耶克斯天文台工作期间，他愿意每周开车100多英里的路程去大学教一堂只有几个学生的课。
钱德拉还对音乐、艺术和哲学有着深厚的热爱，撰写了有关人文与科学之间关系的文章和书籍。 他曾经写道：“人们可以像享受音乐或艺术一样学习科学。。 海森堡有一句奇妙的短语 “在美丽人面前颤抖”。。这就是我的感觉。”
使用哈勃太空望远镜，天文学家能够在距离大约 7200 光年的M4星团中探测到微弱的白矮星和其他 “恒星尸体” 的图像。
白矮星的终极命运
如果主序列恒星的诞生是由聚变反应的开始来定义的，那么我们必须将所有聚变反应的结束视为恒星死亡的时间。 当核心在退化压力下稳定下来时，最后一阵聚变的颤抖会穿过恒星的外部，消耗剩下的少量氢气。 现在，这颗恒星是真正的白矮星：其内部的核聚变已经停止。 该图在 H—R 图上\(\PageIndex{3}\)显示了像太阳这样的恒星在最后阶段的路径。
由于稳定的白矮星无法再通过聚变收缩或产生能量，因此其唯一的能量来源是原子核在其内部的运动所代表的热量。 它发出的光来自这种内部储存的热量，这种热量非常大。 但是，白矮星逐渐将其所有热量辐射到太空中。 数十亿年后，原子核的移动速度将慢得多，白矮星将不再发光（图\(\PageIndex{4}\)）。 然后它将成为一个黑矮星，一个冷的恒星尸体，其质量相当于一颗恒星，大小相当于一颗行星。 它将主要由碳、氧和霓虹组成，这些是恒星能够产生的最先进的聚变反应的产物。
当我们将低质量恒星留在恒星墓地时，我们还有最后一个惊喜。 计算表明，当退化恒星冷却时，其内部的原子本质上 “固化” 成一个巨大的、高度紧凑的晶格（有组织的原子排，就像在晶体中一样）。 当碳以这种方式被压缩和结晶时，它就会变成一颗像钻石一样的巨星。 白矮星可能会成为你所见过的最令人印象深刻的订婚礼物，尽管任何试图开采里面类似钻石的材料都会立即粉碎一个热心的爱好者！
在国家射电天文台的网站上了解最近发现的 “钻石星”，这是一颗在 2014 年发现的冷白矮星，被认为是迄今为止发现的最冷、最暗的恒星。
有证据表明恒星在进化过程中会流失大量质量
恒星是否会变成白矮星取决于在红巨人和进化的早期阶段损失了多少质量。 所有在燃料耗尽时质量低于钱德拉塞卡尔极限的恒星都将变成白矮星，无论它们出生时质量是多少。 但是哪些恒星的质量足以达到这个极限呢？
回答这个问题的一种策略是观察年轻的开放集群（在 Star Clusters 中对此进行了讨论）。 基本思想是寻找包含一颗或多颗白矮星的年轻星团。 请记住，质量较大的恒星比体积较小的恒星更快地经历进化的各个阶段。 假设我们找到了一个星团，该星团具有白矮星成员，并且主序列中还包含质量是太阳6倍的恒星。 这意味着只有质量大于 6 的恒星才\(M_{\text{Sun}}\)有时间耗尽核能供应并完成向白矮星阶段的演变。 因此，变成白矮星的恒星的主序列质量必须超过6\(M_{\text{Sun}}\)，因为质量较低的恒星还没有时间耗尽其储存的核能。 因此，成为白矮星的恒星必须至少消灭4.6，\(M_{\text{Sun}}\)这样在核能发电停止时它的质量才能小于1.4\(M_{\text{Sun}}\)。
天文学家继续寻找合适的星团来进行这项测试，迄今为止的证据表明，质量不超过8的恒星\(M_{\text{Sun}}\)可以流失足够的质量以结束它们作为白矮星的生命。 像太阳这样的恒星可能会损失其初始质量的45％左右，变成质量小于1.4的白矮星\(M_{\text{Sun}}\)。
关键概念和摘要
在进化过程中，恒星脱落了外层，损失了其初始质量的很大一部分。 质量等于\(M_{\text{Sun}}\)或小于8的恒星可能会损失足够的质量成为白矮星，白矮星的质量低于钱德拉塞卡尔极限（约1.4\(M_{\text{Sun}}\)）。 退化电子施加的压力使白矮星无法收缩到更小的直径。 最终，白矮星冷静下来变成黑矮星，主要由碳、氧气和霓虹灯组成的恒星残余物。
词汇表
- Chandrasekhar 限额
- 白矮星质量的上限（等于太阳质量的 1.4 倍）
- 退化气体
- 这种气体可以抵抗进一步压缩，因为没有两个电子可以同时在同一个地方做同样的事情（保利排除原理）