白矮星|有的恒星老去时仍“容光焕发”
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哈勃太空望远镜拍摄的M3星团（左）和M13星团（右） 。ESA/Hubble &NASA供图
采访人员 沈春蕾
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？
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