物理學家的『寶藏之地』:不可思議的白矮星

2020-12-05 天文在線

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【Nature】上發表的一篇文章（『General relativistic orbital decay in a seven-minute-orbital-period eclipsing binary system』，以下簡稱文章）表明一對白矮星也許某一天能夠產生巨大的引力波。

如今，物理學家們在地球上就可以探測到一些由天體們引發的混亂，比如說幾個黑洞相撞會產生足以扭轉時空的引力波。然而，當密度很大的兩個天體圍繞著對方運轉時，它們產生的引力波可不是現在的實驗條件就能夠輕易探測到的了。因此，科學家們正在修建一座用於探測太空引力波的引力波天文臺——LISA（Laser Interferometer Space Antenna，太空雷射幹涉儀天線）。LISA就監測到一對白矮星可能是引力波的主要來源。

圖解：圖為藝術家對於白矮星組成的聯星系統的描繪 【圖源： Caltech/IPAC】

Kevin Burdge（文章的第一作者，同時也是CalTech的一名研究生）發表了自己的看法：「這個『寶藏雙星系統』對於我們理解宇宙如何運轉彌足珍貴。」

研究者們用茲維基瞬時裝置（用來探測亮度快速變化的瞬時對象的裝置，現置於美國加利福尼亞洲的Palomar 實驗室）發現了聯星的證據。同一個夜裡，在基特峰（地處美國亞利桑那州）上的一座望遠鏡也觀測到了這個聯星系統，並且發現每6.91分鐘聯星的光線就會變暗。之後，在Palomar的另一座望遠鏡也證實了光線變暗的行為。最後研究者們又用莫納克亞山的W.M.Keck 望遠鏡找出了這兩顆白矮星環繞彼此的軌道速度。

研究者們表明這座白矮星聯星系統是食雙星（指互相繞行軌道幾乎在視線方向的雙星）。白矮星體積小，密度高，是恆星演化到末期的產物 （也許某天太陽也會演變成白矮星）。從地球上可以觀察到這座白矮星聯星系統相互圍繞運行以致於會遮擋彼此散發的光。但僅僅這個『食』 （或『蝕』）的現象就是個重大的發現。這種現象能夠很好的幫助科學家們去測量它們的一些不易測得的性質，比如說半徑和亮度。

同時這兩顆白矮星是奇特的一對兒。也許是由於其中一顆白矮星吸收了同伴的物質，導致它的溫度似乎要遠遠高於正常標準。然而到現在為止並沒有什麼發現能證明這一吸收行為，因此研究者們將繼續跟進哈勃的發現去尋找溫差的成因。

其實真正令人振奮的不是發現聯星本身，而是蘊藏在聯星背後的潛在科學。這對白矮星大約相距7500光年，它們的運行軌道十分接近，運行範圍甚至小於土星的直徑。試著想像一下這兩顆白矮星的大小和距離：一顆重約太陽的一半，另一顆則重約太陽的四分之一，然而它們相互繞行一周的周期不到七分鐘。這樣子的特質使得LISA能更加順利的捕捉它們的行為。

作者在文章裡闡述到，這個聯星系統所引發的引力輻射接近LISA靈敏度的峰值。一旦LISA在2034年投入運行，他們希望LISA在第一周就能探測到這個聯星系統。

Warren Brown（任職於哈佛-史密森天體物理中心的太空人，也是文章的審稿人） 認為發現這個聯星系統本身就令人振奮，要知道這表明宇宙中有更多形形色色的天體在等待著被人發現。同時，這有助於研究者們開始了解那些產生引力輻射的天體在之前是何種模樣。Brown覺得未來對光和引力的測量可以被結合起來,很有趣不是麼。

像這樣的聯星系統不僅僅可以幫助我們研究引力波，對於找到超新星的成因，繪製星系地圖等等一系列的探索都是大有裨益。現在，科學家們要做的就是找到更多這樣的『寶藏天體系統』。

相關知識延伸閱讀

白矮星，也稱為簡併矮星，是由簡併態物質構成的緻密天體。它們的密度極高，一顆質量與太陽相當的白矮星體積只有地球一般的大小，微弱的光度則來自過去儲存的熱能。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·諾利斯·羅素、愛德華·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。

圖解：哈伯太空望遠鏡拍攝的天狼星聯星系統，在左下方可以清楚的看見天狼伴星（天狼B）。

白矮星被認為是中、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。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聚變的更高溫度，碳和氧就會在核心堆積起來。

圖解：白矮星的質量——半徑關係圖

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分，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使碳聚變卻仍不足以使氖聚變的高溫，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。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Ryan F. Mandelbaum-晦元誠之

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