宇宙中絕大部分恒星最終會(huì)演化成白矮星，進(jìn)入衰老期。此前的研究認(rèn)為，白矮星都會(huì)以相同的速度冷卻寂滅。

近日，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，存在一類(lèi)新的白矮星，其衰老過(guò)程較恒星標(biāo)準(zhǔn)演化模型更緩慢。相關(guān)研究成果9月6日發(fā)表于《自然—天文學(xué)》。

恒星延緩衰老的秘訣

恒星演化理論表明，不是所有恒星都以同樣的方式衰老死亡。

質(zhì)量大于10倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，一般會(huì)形成超新星爆發(fā)而結(jié)束一生。但宇宙中的絕大多數(shù)恒星(約98%)最終會(huì)演化成為白矮星，然后逐漸冷卻變暗，繼而衰老死亡。因此，作為最終產(chǎn)物的白矮星也意味著“年老的恒星”。

什么是白矮星?在恒星演化的最后階段，外層物質(zhì)迅速拋射，最后只留下曾經(jīng)的“星核”，即白矮星，之后隨著時(shí)間推移逐漸冷卻寂滅。

“因?yàn)榘装菢O為致密，無(wú)法通過(guò)引力收縮或核反應(yīng)再產(chǎn)生能量，所以一般認(rèn)為白矮星都會(huì)以相同的速度冷卻。”論文第一作者、意大利博洛尼亞大學(xué)和意大利國(guó)立天體物理研究所博士研究生陳劍星告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“我們的研究發(fā)現(xiàn)并不是所有的白矮星都以同樣的方式冷卻結(jié)束，存在一類(lèi)比正常情況冷卻更慢的白矮星。”2019年，畢業(yè)于北京師范大學(xué)后，陳劍星獲國(guó)家留學(xué)基金委資助赴意大利博洛尼亞大學(xué)攻讀博士學(xué)位。

為什么這類(lèi)白矮星的冷卻更慢?論文通訊作者、意大利博洛尼亞大學(xué)和意大利國(guó)立天體物理研究所教授Francesco Ferraro解釋道：“這類(lèi)白矮星依然存在殘留的氫殼層，殼層的質(zhì)量雖然很薄，大約為太陽(yáng)質(zhì)量的1/10000，但已經(jīng)足夠維持其表面的穩(wěn)定核反應(yīng)，從而確保其有足夠的能量延緩冷卻進(jìn)程。”

“雙胞胎星團(tuán)”冷卻差異

Ferraro帶領(lǐng)國(guó)際團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的研究基于對(duì)兩個(gè)大型恒星集團(tuán)的觀測(cè)：球狀星團(tuán)M3與M13。球狀星團(tuán)M3與M13在很多物理特性方面都極為相似，例如總質(zhì)量、年齡和金屬豐度等。所以這兩個(gè)星團(tuán)有時(shí)也被稱(chēng)作“雙胞胎星團(tuán)”。

研究團(tuán)隊(duì)利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(HST)的深空數(shù)據(jù)，對(duì)這兩個(gè)極為相似的恒星系統(tǒng)進(jìn)行比較研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然M3與M13很多地方相似，但在恒星演化接近晚期的階段卻存在較顯著的區(qū)別。這也為研究白矮星存在不同的冷卻過(guò)程提供了理想的研究樣本。

論文作者之一、意大利國(guó)立天體物理研究所博士Mario Cadelano說(shuō)：“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)這兩個(gè)球狀星團(tuán)提供了極佳的觀測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)論是數(shù)據(jù)質(zhì)量還是對(duì)星團(tuán)中心較為完整的覆蓋范圍，讓我們可以在恒星演化方面對(duì)M3和M13進(jìn)行精確的比較。”

在對(duì)兩個(gè)球狀星團(tuán)進(jìn)行比較研究的過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，在相同星等范圍區(qū)間內(nèi)，M13的白矮星的數(shù)量要明顯地多于M3(M13中包含超過(guò)460顆白矮星，而M3中只有326顆)。更令人意外的是，M13包含的總體恒星的數(shù)量卻比M3要少一些。也就是說(shuō)，M13和M3中的白矮星冷卻特征存在明顯不同：M13的白矮星相較于M3而言，冷卻速率更慢。

論文作者之一、阿根廷拉普拉塔國(guó)立大學(xué)教授Leandro Althaus參與構(gòu)建了緩慢冷卻的白矮星模型，他解釋道：“氫殼層燃燒提供的能源的確延緩了白矮星的冷卻過(guò)程，并產(chǎn)生了一類(lèi)‘緩慢冷卻白矮星’，其外表和普通白矮星極為相似，但冷卻時(shí)間卻顯著不同。”

由于兩類(lèi)白矮星存在不同的物理機(jī)制，從而導(dǎo)致在觀測(cè)上產(chǎn)生了不同的表觀特征，但也引出了一個(gè)新的問(wèn)題：為什么M13存在這類(lèi)機(jī)制，M3卻不存在呢?是什么導(dǎo)致了白矮星核心外圍存在不同程度的殘余氫包層呢?

在演化階段尋找答案

“所有答案都可以回到白矮星之前的演化階段尋找。”陳劍星說(shuō)。

白矮星通常被認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束了核反應(yīng)，只存在純粹的冷卻過(guò)程，隨著時(shí)間推移逐漸變冷變暗。但陳劍星等人的研究表明，純冷卻過(guò)程并不適用于所有的白矮星，而取決于其過(guò)去經(jīng)歷的演化階段，一些白矮星可能依然存在其他的能量來(lái)源從而維持比普通白矮星更長(zhǎng)的冷卻時(shí)間。

陳劍星打了一個(gè)比方：“如果把白矮星比作老年人，那么其前身星所經(jīng)歷的演化階段就像人的一生，有些人遇到一些‘重大的打擊’耗盡所有的精力后，容易迅速衰老，無(wú)法再煥發(fā)出年輕時(shí)的活力;有些人卻很幸運(yùn)地避免經(jīng)歷類(lèi)似的‘重大打擊’，在他們退休安度晚年之時(shí)依然能夠精神煥發(fā)。”

對(duì)于恒星來(lái)說(shuō)，可以稱(chēng)得上“重大打擊”的演化過(guò)程則是“第三次疏浚”，這是發(fā)生在即將進(jìn)入白矮星演化階段時(shí)的一類(lèi)元素混合過(guò)程。此時(shí)恒星殼層的絕大多數(shù)氫由于疏浚幾乎燃燒殆盡，無(wú)法再提供新的能量。但是，有一些更小質(zhì)量的恒星可以跳過(guò)“疏浚”階段，直接演化成白矮星，而此時(shí)就能保存更多的殼層氫。

由于M13中大部分恒星的質(zhì)量相對(duì)低一些，從而能夠跳過(guò)“疏浚”階段。“通過(guò)將慢冷卻白矮星模型與恒星演化的標(biāo)準(zhǔn)模型相結(jié)合，我們可以精確再現(xiàn)M3和M13的特征。因此，這一發(fā)現(xiàn)為我們探究低質(zhì)量恒星的最終演化階段，尤其是探究演化末期展現(xiàn)出的不同特征之間的關(guān)聯(lián)提供了很好的機(jī)會(huì)。”論文作者之一、英國(guó)利物浦約翰摩爾斯大學(xué)教授Maurizio Salaris說(shuō)。

這項(xiàng)研究結(jié)果也將對(duì)天文學(xué)家測(cè)量銀河系恒星年齡產(chǎn)生直接影響。

在此之前，白矮星演化模型是可預(yù)測(cè)的冷卻過(guò)程，冷卻溫度與恒星年齡之間有一定的關(guān)聯(lián)。所以白矮星的冷卻速率也被當(dāng)作宇宙時(shí)鐘，從而可以確定所在星團(tuán)的年齡。如果白矮星殼層存在氫燃燒，那么根據(jù)之前的方法確定的恒星年齡不確定度可達(dá)10億年。

Ferraro最后總結(jié)說(shuō)：“我們此次的發(fā)現(xiàn)改變了目前普遍對(duì)白矮星的定義，并且打開(kāi)了對(duì)恒星演化衰亡過(guò)程新的認(rèn)知，為進(jìn)一步探索維持氫殼層從而減緩白矮星冷卻的機(jī)制。我們正對(duì)其他類(lèi)似M13的球狀星團(tuán)進(jìn)行新的研究。”(記者 沈春蕾)

關(guān)鍵詞： 恒星 白矮星 恒星延緩衰老 恒星標(biāo)準(zhǔn)演化模型