緻密天體:白矮星、中子星與黑洞

白矮星冷卻

白矮星是一顆死去的恒星,沒有燃料可燒,它卻仍在發光——有時還相當熾烈。怎麼做到的?它不過是一個熾熱的物體,正緩緩地把儲存的熱量漏進太空,就像一塊剛從鍛爐裡夾出的馬蹄鐵,先是白熾,轉橙,再轉暗紅,最後熄滅。區別在於,白矮星又大又保溫得好,這場黯淡不是幾分鐘、而是幾十億年的事。白矮星冷卻,就是這場漫長而平穩的薄暮。

由於白矮星不再產生能量,它的未來完全可以預料:它只會越來越冷、越來越暗,絕不會重新變亮。最年輕的白矮星熾熱得超過十萬克耳文;歷經數十億年,它們漸漸降到太陽表面溫度以下,再繼續向幾千克耳文滑落。這冷卻並非完全平滑——內部會在途中結晶,短暫釋放潛熱、放慢黯淡的腳步——但總體趨勢是單向的。關鍵在於,冷卻的速率是被理解得很透徹的物理,所以白矮星的溫度就像一座時鐘。

這座時鐘正是它的價值所在。通過測量一顆白矮星已經冷到何種程度,天文學家便能讀出它在多久以前形成——這種方法叫白矮星宇宙年代學。我們銀河系裡最冷、最暗的白矮星已經冷卻了約一百億年,而由於再沒有比它們更冷的,它們為銀河系盤的年齡設下了一個下限,與其他方法的結果美妙地吻合。至今還沒有哪顆白矮星有時間冷卻成一顆冰冷漆黑的「黑矮星」——宇宙根本還不夠老。

在一個球狀星團裡,所找到的最暗的白矮星標記著最古老的那些——它們冷卻的時間最長。一路數到白矮星乾脆不再出現的那個點,就能直接給出星團的年齡,是對宇宙年齡的一項獨立驗證。

最暗的白矮星就是最老的,使一個星團變成一座時鐘。

冷卻不等於塌縮。白矮星靠簡併壓力撐住,而簡併壓力幾乎不依賴溫度,所以它可以無盡地冷卻下去,既不縮小、也不塌陷。

又稱
white-dwarf cooling trackcooling age白矮星冷却轨迹冷却年龄