有些“老年”恒星“不服老”:燃烧氢,老得慢

“老年恒星”也有让自己显年轻的秘诀。一项颠覆认知的新研究表明,白矮星在生命的最后阶段可能会继续燃烧氢使其看起来更年轻。
9月6日发表在《自然-天文学》的一项研究中,国际天文学家团队利用哈勃太空望远镜的深度观测结果比较了两个相似恒星系统中的白矮星种群,发现一些白矮星通过在其表面燃烧氢减缓了老化速度。这一发现可能会对星团年龄的测量产生影响。“我们发现了首个观测证据,证明白矮星仍然可以经历稳定的热核活动,”领导这项研究的意大利博洛尼亚大学博士陈剑星解释说,“相当令人惊讶,因为这与普遍认知不符。”
白矮星是像太阳这样的恒星在耗尽核燃料后变成的。所谓恒星,是指由炽热气体组成的、进行内部核反应、发光的天体。恒星有诞生、稳定和衰亡的演化过程,持续约几十亿甚至上百亿年,白矮星则是恒星的一种“老年”状态。
比如,约50亿年后,我们的太阳将耗尽其核心的氢,变成一颗红巨星,体积剧烈膨胀以至于吞没内行星并灼烧地球表面。之后,它会抛洒掉外层,其裸露核心则变成一颗白矮星。
白矮星温度很高,温度超过10万开尔文。一般,这颗白矮星会在接下来约十亿年冷却。实际上,恒星的死亡方式根据其质量的不同有所差异。质量大于10倍太阳质量的恒星,一般会在生命末期进行超新星爆炸,留下中子星或黑洞。
宇宙中所有低于8个太阳质量的恒星(约占恒星数量的98%)都会变成白矮星。为了研究白矮星演化的物理基础,此项研究的科学家比较了两大恒星群中的白矮星:球状星团M3和M13。
“这两个星团在许多方面都很相似,如年龄、金属丰度(氢和氦之外的化学元素所占恒星的比例)等,它们被认为是‘双胞胎’。然而,就像人类双胞胎相似但不完全相同,这两个星团的恒星种群中也表现出一些特定差异。由于白矮星是低质量恒星演化的最后阶段,因此这些差异可能会在后期阶段产生可觉察的后果。”该论文通讯作者、意大利博洛尼亚大学教授Francesco R. Ferraro对记者表示。
利用哈勃3号宽视场照相机,研究小组在近紫外波段观测M3和M13,比较两个星团的700多颗白矮星。他们发现,M3包含标准的白矮星,恒星核不断冷却;而M13包含两个白矮星群体:标准白矮星,以及那些设法抓住氢外层外壳、使自己能燃烧更久,从而冷却得更慢的白矮星。
研究人员将他们的结果与M13恒星演化的计算机模拟结果进行比较,发现M13中大约70%的白矮星表面燃烧氢,从而减慢了它们的冷却速度。
即使先前演化阶段留下的相对少量的氢(几个10^-4太阳质量)也足以允许静态热核燃烧。对于低质量 (小于0.6个太阳质量) 和低金属度(Z<0.001)的白矮星,这可以在冷却序列的最亮部分提供不可忽略的能量来源(大于40%),然后迅速变得可以忽略不计的光度L,以太阳光度L⊙为单位,对应于log(L/L⊙)≈−4。这种(通常被忽视的)能源会减慢冷却过程,从而对白矮星光度函数产生可观察到的影响。“我们的发现改变了白矮星的定义本身。事实上,在所有天体物理学教科书和所有学术课程中,白矮星被描述为此前恒星的‘裸露的’核心。在恒星生命结束时,任何热核活动都将永久终止,它们注定会变成随着时间变得越来越冷。”Ferraro表示。
Ferraro介绍道,白矮星不可能产生能量,它们既不能通过热核反应,也不能通过引力收缩(它们的密度很高,无法压缩,只能以恒定半径冷却)产生能量。因此,白矮星演化通常被描述为一个纯冷却过程,在此过程中,这些恒星随着时间的推移变得更冷、更暗,变化速率基本相同,而且它们的年龄与其光度或温度之间的关系非常严格,以至于天文学家通过白矮星的(变暗的)光度推导其年龄。
“事实上,白矮星冷却率已被用作宇宙天文钟来了解我们银河系包括盘状、球状和疏散星团几个种群的年龄。”Ferraro表示,“我们的发现改变了这种既定预测。我们发现,并非所有的白矮星都以相同的速度老化:其中一些比其他的老化得慢,因为它们(老得慢的白矮星)仍然有非常薄的残余氢层为其提供额外能量来源,可以延迟它们的变暗和冷却。当然,这对使用白矮星冷却时间的自然时钟有巨大影响。”
此次发现可能会对天文学家如何测量银河系恒星的年龄产生影响。之前,白矮星的演化被模拟为一个可预测的冷却过程,天文学家将白矮星的冷却速率作为一个自然时钟来确定星团的年龄。而燃烧氢的白矮星可能导致这些年龄估计不准确幅度达10亿年。
“现在,我们正在研究其他类似M13的老星团中的白矮星,来提供这种现象的额外证据。 对白矮星的研究肯定值得新的惊喜,因为它们是宇宙中最紧密的物体之一:一茶匙白矮星的质量相当于10头大象。因此,这些研究肯定值得其他一些惊喜。”Ferraro表示。
论文链接为:https://www.nature.com/articles/s41550-021-01445-6

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