致密天体:白矮星、中子星与黑洞

白矮星冷却

白矮星是一颗死去的恒星,没有燃料可烧,它却仍在发光——有时还相当炽烈。怎么做到的?它不过是一个炽热的物体,正缓缓地把储存的热量漏进太空,就像一块刚从锻炉里夹出的马蹄铁,先是白炽,转橙,再转暗红,最后熄灭。区别在于,白矮星又大又保温得好,这场黯淡不是几分钟、而是几十亿年的事。白矮星冷却,就是这场漫长而平稳的薄暮。

由于白矮星不再产生能量,它的未来完全可以预料:它只会越来越冷、越来越暗,绝不会重新变亮。最年轻的白矮星炽热得超过十万开尔文;历经数十亿年,它们渐渐降到太阳表面温度以下,再继续向几千开尔文滑落。这冷却并非完全平滑——内部会在途中结晶,短暂释放潜热、放慢黯淡的脚步——但总体趋势是单向的。关键在于,冷却的速率是被理解得很透彻的物理,所以白矮星的温度就像一座时钟。

这座时钟正是它的价值所在。通过测量一颗白矮星已经冷到何种程度,天文学家便能读出它在多久以前形成——这种方法叫白矮星宇宙年代学。我们银河系里最冷、最暗的白矮星已经冷却了约一百亿年,而由于再没有比它们更冷的,它们为银河系盘的年龄设下了一个下限,与其他方法的结果美妙地吻合。至今还没有哪颗白矮星有时间冷却成一颗冰冷漆黑的「黑矮星」——宇宙根本还不够老。

在一个球状星团里,所找到的最暗的白矮星标记着最古老的那些——它们冷却的时间最长。一路数到白矮星干脆不再出现的那个点,就能直接给出星团的年龄,是对宇宙年龄的一项独立验证。

最暗的白矮星就是最老的,使一个星团变成一座时钟。

冷却不等于塌缩。白矮星靠简并压力撑住,而简并压力几乎不依赖温度,所以它可以无尽地冷却下去,既不缩小、也不塌陷。

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