有的恒星老去时仍“容光焕发” 恒星延缓衰老的秘诀

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日期:2021-09-09 11:21:45    来源:《中国科学报》    

宇宙中绝大部分恒星最终会演化成白矮星,进入衰老期。此前的研究认为,白矮星都会以相同的速度冷却寂灭。

近日,一个国际研究团队发现,存在一类新的白矮星,其衰老过程较恒星标准演化模型更缓慢。相关研究成果9月6日发表于《自然—天文学》。

恒星延缓衰老的秘诀

恒星演化理论表明,不是所有恒星都以同样的方式衰老死亡。

质量大于10倍太阳质量的恒星,一般会形成超新星爆发而结束一生。但宇宙中的绝大多数恒星(约98%)最终会演化成为白矮星,然后逐渐冷却变暗,继而衰老死亡。因此,作为最终产物的白矮星也意味着“年老的恒星”。

什么是白矮星?在恒星演化的最后阶段,外层物质迅速抛射,最后只留下曾经的“星核”,即白矮星,之后随着时间推移逐渐冷却寂灭。

“因为白矮星极为致密,无法通过引力收缩或核反应再产生能量,所以一般认为白矮星都会以相同的速度冷却。”论文第一作者、意大利博洛尼亚大学和意大利国立天体物理研究所博士研究生陈剑星告诉《中国科学报》,“我们的研究发现并不是所有的白矮星都以同样的方式冷却结束,存在一类比正常情况冷却更慢的白矮星。”2019年,毕业于北京师范大学后,陈剑星获国家留学基金委资助赴意大利博洛尼亚大学攻读博士学位。

为什么这类白矮星的冷却更慢?论文通讯作者、意大利博洛尼亚大学和意大利国立天体物理研究所教授Francesco Ferraro解释道:“这类白矮星依然存在残留的氢壳层,壳层的质量虽然很薄,大约为太阳质量的1/10000,但已经足够维持其表面的稳定核反应,从而确保其有足够的能量延缓冷却进程。”

“双胞胎星团”冷却差异

Ferraro带领国际团队开展的研究基于对两个大型恒星集团的观测:球状星团M3与M13。球状星团M3与M13在很多物理特性方面都极为相似,例如总质量、年龄和金属丰度等。所以这两个星团有时也被称作“双胞胎星团”。

研究团队利用哈勃太空望远镜(HST)的深空数据,对这两个极为相似的恒星系统进行比较研究时发现,虽然M3与M13很多地方相似,但在恒星演化接近晚期的阶段却存在较显著的区别。这也为研究白矮星存在不同的冷却过程提供了理想的研究样本。

论文作者之一、意大利国立天体物理研究所博士Mario Cadelano说:“哈勃太空望远镜对这两个球状星团提供了极佳的观测数据,无论是数据质量还是对星团中心较为完整的覆盖范围,让我们可以在恒星演化方面对M3和M13进行精确的比较。”

在对两个球状星团进行比较研究的过程中,研究团队惊讶地发现,在相同星等范围区间内,M13的白矮星的数量要明显地多于M3(M13中包含超过460颗白矮星,而M3中只有326颗)。更令人意外的是,M13包含的总体恒星的数量却比M3要少一些。也就是说,M13和M3中的白矮星冷却特征存在明显不同:M13的白矮星相较于M3而言,冷却速率更慢。

论文作者之一、阿根廷拉普拉塔国立大学教授Leandro Althaus参与构建了缓慢冷却的白矮星模型,他解释道:“氢壳层燃烧提供的能源的确延缓了白矮星的冷却过程,并产生了一类‘缓慢冷却白矮星’,其外表和普通白矮星极为相似,但冷却时间却显著不同。”

由于两类白矮星存在不同的物理机制,从而导致在观测上产生了不同的表观特征,但也引出了一个新的问题:为什么M13存在这类机制,M3却不存在呢?是什么导致了白矮星核心外围存在不同程度的残余氢包层呢?

在演化阶段寻找答案

“所有答案都可以回到白矮星之前的演化阶段寻找。”陈剑星说。

白矮星通常被认为已经结束了核反应,只存在纯粹的冷却过程,随着时间推移逐渐变冷变暗。但陈剑星等人的研究表明,纯冷却过程并不适用于所有的白矮星,而取决于其过去经历的演化阶段,一些白矮星可能依然存在其他的能量来源从而维持比普通白矮星更长的冷却时间。

陈剑星打了一个比方:“如果把白矮星比作老年人,那么其前身星所经历的演化阶段就像人的一生,有些人遇到一些‘重大的打击’耗尽所有的精力后,容易迅速衰老,无法再焕发出年轻时的活力;有些人却很幸运地避免经历类似的‘重大打击’,在他们退休安度晚年之时依然能够精神焕发。”

对于恒星来说,可以称得上“重大打击”的演化过程则是“第三次疏浚”,这是发生在即将进入白矮星演化阶段时的一类元素混合过程。此时恒星壳层的绝大多数氢由于疏浚几乎燃烧殆尽,无法再提供新的能量。但是,有一些更小质量的恒星可以跳过“疏浚”阶段,直接演化成白矮星,而此时就能保存更多的壳层氢。

由于M13中大部分恒星的质量相对低一些,从而能够跳过“疏浚”阶段。“通过将慢冷却白矮星模型与恒星演化的标准模型相结合,我们可以精确再现M3和M13的特征。因此,这一发现为我们探究低质量恒星的最终演化阶段,尤其是探究演化末期展现出的不同特征之间的关联提供了很好的机会。”论文作者之一、英国利物浦约翰摩尔斯大学教授Maurizio Salaris说。

这项研究结果也将对天文学家测量银河系恒星年龄产生直接影响。

在此之前,白矮星演化模型是可预测的冷却过程,冷却温度与恒星年龄之间有一定的关联。所以白矮星的冷却速率也被当作宇宙时钟,从而可以确定所在星团的年龄。如果白矮星壳层存在氢燃烧,那么根据之前的方法确定的恒星年龄不确定度可达10亿年。

Ferraro最后总结说:“我们此次的发现改变了目前普遍对白矮星的定义,并且打开了对恒星演化衰亡过程新的认知,为进一步探索维持氢壳层从而减缓白矮星冷却的机制。我们正对其他类似M13的球状星团进行新的研究。”(记者 沈春蕾)

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