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作者：徐成亮
校對：牧夫校對組
編排：陶邦惠
後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦
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近來,天文學家們發現了一顆可能是由兩顆白矮星合併產生的星體，這顆奇特星體的編號為WDJ0551+4135（以下簡稱W+4135），距離我們約150 光年。
預備知識
白矮星同中子星一樣，屬於密度特別大的緻密星。而且都是恆星演化到耄耋之年的產物。它們不再像我們的太陽一樣，在內部還有氫和氦的燃燒。它們的燃料已經完全耗盡，只會向外慢慢地輻射年輕時殘存的熱能。以至於它們會在接下來的日子裡逐漸地向外散發著自己的光和熱直至完全冷寂。我們的太陽目前還在中年時期，等到內部的氫消耗殆盡時，它將會偏離赫羅圖的主序帶而它最終的歸屬就是白矮星。
圖例為表示恆星特性的赫羅圖，橫軸表示恆星的表面溫度，縱軸表示恆星的表面亮度，左下角星號標記的就是我們的主角—白矮星WDJ0551+4135。（修改自Wikipedia.org 赫羅圖）
所以白矮星並不是憑空誕生的，只有具備太陽這類中等大小的恆星為前提，經過幾十億年的演化，最後呈現出來的才是白矮星。但是這樣的老年星筋骨並不疏鬆，反倒異常稠密。恆星演化的特性使得它的質量分布在0.3至1.2個太陽質量之間，而大小卻只能和地球相類比。這樣一來，它的密度約為 10~10 kg/m，意味著1個骰子大小的地方有著20輛重型卡車重量。
如此極端的情況下，白矮星內部的原子的電子結構被完全破壞，只剩下了赤裸的原子核和自由電子。這時候還能夠與引力抗衡的就是電子簡併壓了。1931年，錢德拉塞卡利用電子簡併壓力模型算出了白矮星的極限質量為太陽質量的1.4倍，質量再大一些，白矮星則會轉變為中子星。後人稱之一質量極限為錢德拉塞卡極限。我們當下發現的白矮星質量在0.3~1.2 個太陽質量範圍內也確實佐證了這一點。
理論上證明白矮星質量極限的印度裔美國籍科學家錢德拉塞卡（百度圖片）
奇怪的三大特性
01
異乎尋常的質量
前面我們提到，由於錢德拉塞卡極限，白矮星的質量都會小於1.4個太陽質量，這是理論極限。而實際統計發現的結果顯示，普遍的白矮星質量是太陽質量的0.6倍。而這顆W+4135的質量並不老實，它的質量是太陽的1.14倍。這仿若一場測驗，在滿分100的卷子裡，多數的白矮星都考了半數分，而惟獨這顆W+4135卻接近了滿分，這就值得讓我們為之注意了。如此大的質量，加上有地球直徑的2/3的大小，意味著內部更加駭人的壓力，這也進一步增加了它的不尋常。
從恆星演化赫羅圖中提取出白矮星的部分，這顆星的位置說明它的質量較大，但是半徑卻比較小。紅線和藍線之間的區域則暗含了這部分區域白矮星的不穩定程度。(論文插圖)
02
詭異的大氣成分
通常在形成白矮星之前，恆星要經歷紅巨星的階段。紅巨星最核心的氫已燒完，內部會開始進行氦的燃燒以形成碳氮氧等元素。到此，由於白矮星內部溫度不夠高，不足以支撐核心下一步的核反應。等到內部燃料再次燃燒完畢，紅巨星就會拋散絕大多數星體外層的結構而裸露成白矮星。
所以儘管白矮星「樣式繁多」，大部分的白矮星都是由碳、氧組成的。而當我們觀測白矮星表面時，我們可能會看到氫的外層、或者氫夾雜著氦、抑或氦混合著碳。幸運一些的話，我們可以在表面發現一些內部對流作用而翻滾上來的氧。但是，對於W+4135這顆星體就有點特殊了，我們在它的表面包層發現了碳和氫，而且的兩者的數量之比為0.15左右。
天文學上對恆星演化的過程已經研究的很詳致了，按照正常的演化秩序，根本不會在W+4135的大氣表面產生這兩種牛馬不相及的成分，更何況碳的比例還不是一點點。按理來說，在氫和碳會有一層濃厚的氦包層阻止它們的「私通」。這樣不合規矩的發現也暗示著W+4135的詭異來源。
以碳氧為核心的白矮星結構模擬圖。從外往內為氫殼層，氦殼層和碳氧核心（圖源Research gate）
03
超快的運動速度
這顆W+4135和若干系內的恆星一樣，在圍繞著銀河系的中心運轉。這些星體們都會以一個大致特定的速度進行繞轉，我們用一個「銀河系標準框架」來描述銀河系物體的圍繞銀心運轉的速度，這一速度範圍在202-241 km/s。但是這些星體也會像一個多動症的孩子一般，還會有偏離銀心的運動，這也被稱之為偏離銀河系標準框架的運動。
我們利用精細的光譜學手段測定銀河系內任意看得見的恆星的運動速度，再通過幾何關係就能知道這些星體相對於銀河系這樣的標準框架的速度是多少了。
結果很意外，這顆W+4135的繞轉速度和其他的白矮星不太一樣。測到的W+4135相對標準框架還有約129 km/s的相對速度。這也比其他一般的星體快多了，使它看上去更像個挑事的刺頭。
那麼速度快又意味著什麼呢？結合著統計數據發現，同樣是在銀河系裡轉，年老的星體穿行的速度普遍比年輕的恆星快。天文界普遍認為，W+4135這顆天行者在白矮星的行當裡，算得上是個上了歲數的老恆星了。
除了繞轉運動外，白矮星的主要活動就是冷卻。因為沒有核反應的發生，我們能夠憑藉白矮星的冷卻速度和它的光度等信息推斷處它的年齡。通過前後三次調用望遠鏡對這顆白矮星的觀測，這樣推導出的年齡卻相對年輕。這與自身較高的動力學速度所暗示的年齡自相矛盾，研究人員們也沒有找到一個可以完美解釋如此情況的現有理論。
利用光譜分析發現WDJ0551+4135運動速度特徵的西班牙4.2米威廉赫歇爾望遠鏡（圖源wikipedia.org-William Herschel Telescope）
猜測雙星合併
讓我們綜合一下W+4135的反常現象：有點超重的質量、不該出現的碳、氫混合大氣、過高的速度顯現的詭異的年齡。單顆恆星的演化歷程是顯然是不太可能走成這個樣子了，那麼還會有怎樣的可能才能演化到這個樣子呢？
讓兩顆白矮星合併或許是最好的選擇。最容易聯想的，就是兩顆白矮星相互繞轉最後合併在一起了。這和雙黑洞、雙中子星合併過程的場面差不多，但是也略有區別：一個有著數十億年的雙星系統，其中的一顆星相對它的伴星提前演化到了紅巨星階段，成為紅巨星後又不斷地膨脹，最後外層不斷地有物質受伴星的引力而被吸引過去，逐漸包裹著它的同伴。於是紅巨星開始收縮，使得兩顆雙星的距離變得更近。隨後，同樣的，第二顆星也演化成了紅巨星，使得兩顆恆星彼此間的距離又被拉近。
整個軌道收縮最後合併的過程需要花費數十億年的時間，合併的期間，會向外釋放出引力波，使得軌道進一步收縮。如果它們最終併合的過程發生在現在的話，我們的引力波探測器就有機會捕捉到這樣的信號。暫且目前，我們的發現的引力波信號都是黑洞或者中子星合併產生的，還沒有發現雙白矮星合併的例子。即便它們的引力波可以到達地球，由於白矮星質量較小的緣故，想要探測它們的引力波信號目前在技術上還是有一定難度的。所以，很遺憾，這件事暫時和引力波沒什麼關係了。
猜想畢竟是猜想，雙星合併還不是板上釘釘的事情，如果W+4135是雙星合併的，那麼它理應會有比較大的自轉速度。反應在光譜學上的行為就是，我們理應可以發現光譜較為客觀的展寬行為，可事實上的光譜展寬數據不盡人意。
藝術想像下的雙白矮星合併成WDJ0551+4135的場景
目前，我們通過測定W+4135的表面溫度是推斷得知雙星合併時間發生在13億年前。要通過判斷它是不是白矮星合併的結果，光分析恆星的表面還不夠，重點在於恆星的內核，內核不同，白矮星的特徵屬性就不一樣，我們或許就可以搞明白W+4135是怎麼來的了。但是我們白矮星如此緻密，我們無法直接看到恆星的內核，我們可以利用星震學的手段作為下一步的探索工具。
所謂星震學，就是藉由恆星震動情況來揭示內部結構。在白矮星冷卻的過程中，會經歷幾個不同的不穩定階段，期間會出現振動。由于振動，每一顆白矮星內部不同的化學組成，會帶來各自獨特的光強變化，從而可以藉助望遠鏡測量來進一步描繪出其內部結構。
星震學可以幫助我們精確確定恆星參數，檢驗恆星內部的物理過程。自發形成的內核與碰撞形成的內核肯定是不一樣，再結合當下天文學上日趨精密的光譜學測量，我們就能一窺到底地知曉這顆MDJ的來歷了。
恆星和我們地球一樣也存在「地震」，通過觀察恆星的多種「地震」模式，我們可以部分地推斷出恆星的內部結構 （圖源 Wikipedia.org-Asteroseismology）
吃瓜群眾表示有什麼意義？
讀者朋友們讀到這裡可能會拍板說：你說了一大堆，結果什麼也沒確定啊。且慢，對著W+4135的後續研究還在繼續，但不管最後的結果會是兩種當中的哪一種，都會讓我們宇宙產生新的認知。
去年11月末，我國的LAMOST發現了最大恆星級黑洞，說明傳統了恆星坍塌形成黑洞的理論還有不少缺陷。如果這樣一顆白矮星被證實為單星演化而來的，那麼無疑需要我們反過頭來對恆星演化過程再做一番思考。而如果這樣的一顆白矮星是雙星合併產生的，那麼如此劇烈的活動怎麼沒有使它變成超新星一樣成為宇宙的燈塔呢？此前我們就發現過雙白矮星合併成超新星的例子，而這顆W+4135的星卻穩穩噹噹地沒有任何要變成超新星的跡象。
或許就像LAMOST和那個超大恆星級黑洞一樣，這樣的一顆白矮星也可能會告訴我們隱藏在它背後的宇宙奧秘。
總之，不管最後探討的結果如何，我們總是穩賺不賠的。所以為了讓我們更進一步的了解宇宙，不如靜靜期待以後的結果吧。
參考資料
[1] Hollands, Mark A., et al. "An ultra-massive white dwarf with a mixed hydrogen–carbon atmosphere as a likely merger remnant." Nature Astronomy (2020): 1-7.
[2] Sciencealert https://www.sciencealert.com/discovery-of-an-ultramassive-white-dwarf-could-be-two-stars-squeezed-into-one
[3] Camisassa, María E., et al. "On the evolution of ultra-massive white dwarfs." arXiv preprint arXiv:1807.03894 (2018).
[4] 高斯寒.星震學揭示白矮星的結構[J].世界科學,2018(04):14-15.
[5] 雙白矮星合併星體會變成超新星新聞https://www.livescience.com/65550-dead-stars-revived-white-dwarf-merger.html
責任編輯：郭皓存
牧夫新媒體編輯部
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影像來源及版權：John Kraus
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