天文学家们慌了,比宇宙年龄还大的天体

天文学家们发现氦白矮星的年龄超过宇宙年龄时,天文学家们慌了。

根据恒星演化,我们知道越大的恒星燃烧的越剧烈死亡越快且最终死亡过程都较为剧烈(超新星)。只有较小的恒星(小于八个太阳质量)才能在演化的后期通过不那么剧烈的死亡过程形成一颗白矮星。而且通过演化规律我们知道,白矮星质量大小正比于恒星初始质量大小,也就是说质量稍大的恒星会产生质量稍大的白矮星,质量稍小的恒星会产生质量稍小的白矮星。白矮星的元素组成也是和其质量相关,越重的白矮星富含的元素越“重”(例如:0.2个太阳质量的白矮星是氦白矮星,0.5个太阳质量 的白矮星是碳氧白矮星,1个太阳质量的白矮星是氧氖镁白矮星)。

比如:太阳现在已经出生46.7亿年了,他现在恰巧处于主序期的中点,也就是说太阳主序寿命是100亿年左右,加之主序后的巨星阶段,太阳从出生演化到白矮星需要大概120亿年。大概60多亿年后,太阳就会变成0.52个太阳质量的碳氧白矮星。

目前,我们已经在宇宙中发现了好多小于0.5个太阳质量的白矮星,甚至是一些非常小的氦白矮星(典型质量 0.2个太阳质量)。那么显然小于0.5个太阳质量的白矮星是比太阳质量要小的恒星形成的。太阳寿命(零龄主序至白矮星)都120亿年了,小于太阳质量的恒星寿命动辄就是两三百亿年甚至千亿年万亿年。

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氦白矮星

那么问题来了,宇宙年龄才138亿年啊!即便假设这种超小恒星诞生于宇宙早期,那么凭它们几百亿年的寿命到现在也活的好好的,然而我们恰恰就是观测到了它们死亡后的产物氦白矮星了。那么这些小型恒星是怎么早夭的?

现在比较主流的看法是这些氦白矮星诞生于伴随着物质转移的双星系统中。也就是说这颗小恒星的外层物质被它的伴星给“夺走了”。

这里我们就要提出一个概念叫做洛希瓣,是指包围在天体周围的临界等位面,在这个临界面范围内的物质会受到该天体的引力约束而在轨道上环绕著。如果恒星膨胀至洛希瓣的范围之外,这些物质将会摆脱掉恒星引力的束缚。如果这颗恒星是相接双星系统,则这些物质会经由内拉格朗日L1点落入伴星的范围内。等位面的临界引力边界形状类似泪滴形,泪滴形的尖端指向伴星(尖端位於系统的L1拉格朗日点)。

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洛希瓣示意

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洛希瓣里拉格朗日点分布

也就是说,可以根据双星系统的主星伴星是否充满洛希瓣把双星系统分为分离双星、半相接双星、和相接双星。

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双星分类

当非分离双星中一颗恒星"超越了洛希瓣"——即它的表面扩展至洛希瓣之外时,超越过洛希瓣的物质会经由L1拉格朗日点掉落至伴星的落希瓣之内,这种质量传输被称为洛希瓣溢流 (洛希瓣超流)。

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双星物质转移示意图

那么我们自然就想到,当一颗小恒星在恰当的位置拥有一颗恰当的伴星,就会因为这颗小恒星充满自己洛希瓣而向伴星转移自己的外层物质的现象。当其外层物质都被伴星“剥夺了精光”,那其剩下的氦核心也会因为质量过小温度不够而停止燃烧,最终随着引力自身收缩成为一颗氦白矮星(实际上这个过程非常复杂,不多做讨论,只定性分析结果。)


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