比宇宙年齡還大的天體,這是怎麼回事?

當天文學家們發現氦白矮星的年齡超過宇宙年齡時,天文學家們慌了。

根據恆星演化,我們知道越大的恆星燃燒的越劇烈死亡越快且最終死亡過程都較為劇烈(超新星)。只有較小的恆星(小於八個太陽質量)才能在演化的後期通過不那麼劇烈的死亡過程形成一顆白矮星。而且通過演化規律我們知道,白矮星質量大小正比於恆星初始質量大小,也就是說質量稍大的恆星會產生質量稍大的白矮星,質量稍小的恆星會產生質量稍小的白矮星。白矮星的元素組成也是和其質量相關,越重的白矮星富含的元素越“重”(例如:0.2個太陽質量的白矮星是氦白矮星,0.5個太陽質量 的白矮星是碳氧白矮星,1個太陽質量的白矮星是氧氖鎂白矮星)。

比如:太陽現在已經出生46.7億年了,他現在恰巧處於主序期的中點,也就是說太陽主序壽命是100億年左右,加之主序後的巨星階段,太陽從出生演化到白矮星需要大概120億年。大概60多億年後,太陽就會變成0.52個太陽質量的碳氧白矮星。

目前,我們已經在宇宙中發現了好多小於0.5個太陽質量的白矮星,甚至是一些非常小的氦白矮星(典型質量 0.2個太陽質量)。那麼顯然小於0.5個太陽質量的白矮星是比太陽質量要小的恆星形成的。太陽壽命(零齡主序至白矮星)都120億年了,小於太陽質量的恆星壽命動輒就是兩三百億年甚至千億年萬億年。

比宇宙年齡還大的天體,這是怎麼回事?

氦白矮星

那麼問題來了,宇宙年齡才138億年啊!即便假設這種超小恆星誕生於宇宙早期,那麼憑它們幾百億年的壽命到現在也活的好好的,然而我們恰恰就是觀測到了它們死亡後的產物氦白矮星了。那麼這些小型恆星是怎麼早夭的?

現在比較主流的看法是這些氦白矮星誕生於伴隨著物質轉移的雙星系統中。也就是說這顆小恆星的外層物質被它的伴星給“奪走了”。

這裡我們就要提出一個概念叫做洛希瓣,是指包圍在天體周圍的臨界等位面,在這個臨界面範圍內的物質會受到該天體的引力約束而在軌道上環繞著。如果恆星膨脹至洛希瓣的範圍之外,這些物質將會擺脫掉恆星引力的束縛。如果這顆恆星是相接雙星系統,則這些物質會經由內拉格朗日L1點落入伴星的範圍內。等位面的臨界引力邊界形狀類似淚滴形,淚滴形的尖端指向伴星(尖端位於系統的L1拉格朗日點)。

比宇宙年齡還大的天體,這是怎麼回事?

洛希瓣示意圖


比宇宙年齡還大的天體,這是怎麼回事?

洛希瓣的拉格朗日電分佈

也就是說,可以根據雙星系統的主星伴星是否充滿洛希瓣把雙星系統分為分離雙星、半相接雙星、和相接雙星。

比宇宙年齡還大的天體,這是怎麼回事?

雙星分類

當非分離雙星中一顆恆星"超越了洛希瓣"——即它的表面擴展至洛希瓣之外時,超越過洛希瓣的物質會經由L1拉格朗日點掉落至伴星的落希瓣之內,這種質量傳輸被稱為洛希瓣溢流 (洛希瓣超流)。

比宇宙年齡還大的天體,這是怎麼回事?

雙星物質轉移示意圖

那麼我們自然就想到,當一顆小恆星在恰當的位置擁有一顆恰當的伴星,就會因為這顆小恆星充滿自己洛希瓣而向伴星轉移自己的外層物質的現象。當其外層物質都被伴星“剝奪了精光”,那其剩下的氦核心也會因為質量過小溫度不夠而停止燃燒,最終隨著引力自身收縮成為一顆氦白矮星(實際上這個過程非常複雜,不多做討論,只定性分析結果。)


分享到:


相關文章: