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)國際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，存在一類新的白矮星，其衰老過程較恒星標(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，無法通過引力收縮或核反應(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)和意大利國立天體物理研究所博士研究生陳劍星告訴《中國科學(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)和意大利國立天體物理研究所教授Francesco Ferraro解釋道：“這類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)國際團(tuán)隊(duì)開展的研究基于對(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程提供了理想的研究樣本。

論文作者之一、意大利國立天體物理研究所博士Mario Cadelano說：“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，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程，并產(chǎn)生了一類‘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)新的問題：為什么M13存在這類機(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。

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，純冷卻過程并不適用于所有的白矮星，而取決于其過去經(jīng)歷的演化階段，一些白矮星可能依然存在其他的能量來源從而維持比普通白矮星更長的冷卻時(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)于恒星來說，可以稱得上“重大打擊”的演化過程則是“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)的一類元素混合過程。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“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“疏浚”階段。“通過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、英國利物浦約翰摩爾斯大學(xué)教授Maurizio Salaris說。

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：“我們此次的發(fā)現(xiàn)改變了目前普遍對(duì)白矮星的定義，并且打開了對(duì)恒星演化衰亡過程新的認(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