白矮星
bái ǎi xīng
白矮星是低质量或中等质量恒星在生命末期抛出外层物质后留下的一种体积小、密度极高、温度很高的残骸天体。
Definition
白矮星是像太阳这样的恒星死亡后留下的残骸：一个体积约与地球相当、温度很高、密度极大的小球，它不再产生新的能量，而是在数十亿年间缓慢冷却。当一颗质量不超过约 $8$ 个太阳质量的恒星把外层物质以行星状星云的形式抛出后，露出的炽热核心就会形成白矮星；典型的白矮星把约 $0.6$ 个太阳质量塞进一个约地球大小的天体中，仅靠余热发光。白矮星靠电子简并压对抗引力，这是一种与温度无关的量子效应；它由碳和氧构成的内部，密度可达约 $10^9\ \text{kg/m}^3$。钱德拉塞卡极限约为 $1.4$ 个太阳质量，是简并压所能支撑的最大质量；如果一颗白矮星因从伴星吸积物质而超过这一极限，就会以Ia型超新星的形式发生爆炸。
Example
天狼星是夜空中最亮的恒星，它有一颗白矮星伴星，天狼星B，把约 $1.0$ 个太阳质量压缩进半径约 $5{,}800\ \text{km}$ 的球体中，比地球还略小一些。它的表面温度约为 $25{,}000^\circ\text{C}$，远高于太阳，却因为体积太小而显得暗淡。由于白矮星的半径大致按 $R \propto M^{-1/3}$ 变化，一颗 $1.2$ 个太阳质量的白矮星反而比一颗 $0.6$ 个太阳质量的白矮星更小；Ia型超新星的峰值亮度几乎完全一致，因为它们都是在接近同一个 $1.4$ 个太阳质量的极限时爆炸的，这使它们成为测量宇宙距离的标准烛光。
Key Insight
一茶匙白矮星物质拿到地球上，重量能达到好几吨，这说明一整颗恒星的物质被压缩得有多么紧密。白矮星并不是一块冰冷的余烬：它起初的温度比太阳表面还要高，冷却下来所需的时间比目前宇宙的年龄还要长。钱德拉塞卡极限也解释了为什么太阳最终会变成白矮星，而一颗 $20$ 个太阳质量的恒星却不会：一旦超过这个极限，无论多大的电子简并压都无法再支撑住核心，最终只能形成中子星或黑洞。