年邁恒星在核能耗盡冷卻后會變成?顆“鉆?星球”

當我們仰望夜空，星星看上去就像是切割過的珠寶，在天鵝絨般黑暗的夜空中閃閃發(fā)光。而對于這些星星中的一部分來說，它們確實是真的“鉆石”。

當某種類型的死星冷卻時，它會逐漸變硬并結晶。白矮星是一種已經(jīng)耗盡了核燃料的恒星，它們的質(zhì)量大約和太陽相當，但是體積卻只有地球的幾分之一。白矮星在宇宙中很常見，但是它們的演化過程還有許多未解之謎。其中一個有趣的現(xiàn)象就是白矮星的結晶，也就是白矮星內(nèi)部的碳和氧原子停止運動，形成鍵并排列成晶格結構。這個過程會釋放出大量的能量，使得白矮星的冷卻速度變慢。如果結晶足夠徹底，白矮星就會變成一顆硬如鉆石的天體。

1992年，科學家們在半人馬座天區(qū)發(fā)現(xiàn)了一顆距地球50光年、質(zhì)量相當于1.1個太陽的白矮星BPM37093。觀測發(fā)現(xiàn)它有脈動的振蕩，科學家由此推測其內(nèi)部已經(jīng)大部分冷卻結晶。這顆白矮星主要由碳構成，而在地球上碳的結晶形態(tài)就是鉆石，因此有的科學家把它比喻成一顆超大型的鉆石。這顆鉆石有多大呢？估計有5x1029千克，即25億億億億克拉。相比之下，地球上最大的鉆石“非洲之星”只有530克拉?？茖W家們開玩笑說，就算全世界的富人加在一起也買不起這么大的鉆石。他們根據(jù)“甲殼蟲”樂隊的一首歌《戴著鉆石的露西在天空中飛翔》給它起了一個昵稱：“露西”。

白矮星是一種極為稠密的天體，它的質(zhì)量與太陽相近，但半徑只有太陽的1/100，密度則達到了驚人的百萬倍太陽密度。白矮星是宇宙中一種相當普遍的天體，因為在恒星演化的最后階段，大部分的恒星都會變成白矮星。然而，白矮星背后的奧秘和科學價值卻一直是科學家們關注的焦點。

最近，一群來自澳大利亞、加拿大和美國的天文學家發(fā)現(xiàn)了一顆正在結晶的白矮星，它位于距離我們大約104光年的一個四重星系統(tǒng)中。這個系統(tǒng)被命名為HD190412，其中包括兩對雙星。其中一對雙星是兩顆類太陽恒星，另一對雙星則是一顆紅矮星和一顆白矮星。這顆白矮星被命名為HD190412C，它的質(zhì)量是0.6倍太陽質(zhì)量，表面溫度是1.1萬開爾文。天文學家通過觀測它在赫羅圖上的位置，推斷出它正在經(jīng)歷結晶過程。

這顆白矮星晶體是否為鉆石尚不得而知，白矮星的密度約為每立方米100萬公斤，而鉆石的密度約為每立方米3500公斤。密度更高的碳的同素異形體確實存在；另一方面，太空中也確實漂浮著大量的鉆石。

這顆白矮星非常特殊，因為它是第一顆被確認正在結晶且總年齡可以被外部限制的白矮星。這意味著我們可以通過比較它和其他恒星在該系統(tǒng)中的年齡差異，來檢驗白矮星結晶模型的正確性。如果沒有結晶效應，白矮星應該比其他恒星更老，因為它們是從更大更亮的恒星演化而來的。但是如果有結晶效應，白矮星會看起來更年輕，因為它們冷卻得更慢。

天文學家使用了多種方法來估計HD190412系統(tǒng)中各個恒星的年齡。他們發(fā)現(xiàn)，HD190412C看起來比其他恒星年輕了31億年左右。這個結果雖然沒有達到統(tǒng)計顯著性，但是與最近提出的一個假設相符合。這個假設認為，在白矮星結晶過程中，氖Ne同位素會發(fā)生相分離，也就是從液態(tài)核心沉淀到固態(tài)外殼中。這個過程會釋放出更多的能量，并增加白矮星冷卻延遲的幅度。

HD190412系統(tǒng)是一個類似于天狼星的系統(tǒng)，因為天狼星也是一個由一顆類太陽恒星和一顆白矮星組成的雙星系統(tǒng)。但是，天狼星的白矮星還沒有開始結晶，所以不能用來測試結晶模型。而HD190412系統(tǒng)則提供了一個更好的實驗室，讓我們可以探索白矮星結晶的奧秘。天文學家認為，類似于HD190412的系統(tǒng)在太陽附近應該很常見，未來的發(fā)現(xiàn)可能會為白矮星結晶模型提供更強有力的檢驗。

宇宙中的一切都必然會發(fā)生改變。懸掛在天空中的每一顆恒星，都因原子聚變產(chǎn)生的光而閃閃發(fā)亮，總有一天會耗盡燃燒的燃料，進化成新的東西。對于絕大多數(shù)恒星（那些質(zhì)量低于太陽8倍的恒星，包括太陽）而言，那將是一顆白矮星。

當燃料耗盡時，恒星的外層物質(zhì)被剝離到周圍的空間中，剩下的核心也不再受到核聚變提供的向外壓力的支持，將坍縮成一個超高密度的物體，大小與地球（甚至月球）相當，但質(zhì)量相當于1.4個太陽。

白矮星中的物質(zhì)被高度壓縮，但它會被一種叫做“電子簡并壓力”的東西阻止進一步的坍縮。沒有兩個電子可以占據(jù)相同的狀態(tài)，這使得白矮星不會變得更稠密，就像在中子星或黑洞中看到的那樣。

白矮星很昏暗，但它們?nèi)匀簧l(fā)著余熱。隨著時間的推移，它們會變冷，當它們失去所有的熱量，變成一團冰冷的結晶碳時，就會進化成一種叫做“黑矮星”的東西。

計算表明，這個過程需要很長很長的時間，大約會是萬億年。鑒于宇宙只有大約138億年的歷史，所以，我們并不能指望能找到一個這樣的東西。

最后，研究人員認為，這個系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)距離只有32秒差距，這表明類似天狼星的系統(tǒng)中可能有很多結晶白矮星。因此，未來的發(fā)現(xiàn)可能會允許對白矮星結晶模型進行更有力的測試。他們的結論是，HD190412系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)為理解白矮星的結晶開辟了一條新的途徑。