矮星(Dwarf star):像太阳一样的小主序星,如果是白矮星,就是像太阳一样的一颗恒星的遗核。褐矮星没有足够的物质进行熔化反应。
原指本身光度较弱的星﹐现专指恒星光谱分类中光度级为V的星﹐即等同于主序星。光谱型为O﹑B﹑A的矮星称为蓝矮星(如织女一﹑天狼星)﹐光谱型为F﹑G的矮星称为黄矮星(如太阳)﹐光谱型为K及更晚的矮星称为红矮星(如南门二乙星)。但白矮星﹑亚矮星﹑“黑矮星”则另有所指﹐并非矮星。物质处在简并态的一类弱光度恒星“简并矮星”也不属矮星之列。“黑矮星”则是理论上估计存在的天体﹐指质量大致为一个太阳质量或更小的恒星最终演化而成的天体﹐它处于冷简并态﹐不再发出辐射能﹔也有人专指质量不够大(小于约0.08太阳质量)﹑已没有核反应能源的星体。
光度最弱的一类星系﹐其绝对星等M 为-8~-16等。有的矮星系是椭圆星系﹐也有的是I型不规则星系。这两种矮星系都是小的﹐成员星通常也不多。质量只有10~10太阳质量。不规则矮星系包含著大量闹行郧猢o并且包含著星族 I的恒星。椭圆矮星系是椭圆星系中质量小的星系。它们与球状星团很类似﹐二者的不同仅仅在于前者直径约为后者的10倍。在本星系群的40个星系中﹐就是20多个是椭圆矮星系﹐可见其数目之多。这种星系光度弱﹐所以在5万秒差距之外是看不到的。
棕矮星
棕矮星(Brown dwarf)是类恒星天体的一种,质量约为5至90个木星之间。与一般恒星不同,棕矮星由质量不足,其核心并不会融合氢原子来发光发热,无法成为主序星。但它们的内部及表面均呈对流状态,不同的化学物质并不会在内部分层存在。现时人们仍在研究棕矮星在过往是否曾经在某位置发生过核聚变,已知的是,质量大于13个木星的棕矮星可融合氘。
棕矮星原先被称为“黑矮星”,代表在宇宙间漂浮的类恒星天体或质量不足以发生核反应的天体。但“黑矮星”一词现时是指一些停止发光,并已死亡的白矮星。
早期的恒星模型指出,一个天体欲成为真恒星,必须拥有80个以上的木星质量,以产生核反应。“棕矮星”的理论最初于1960年代早期提出,指其数量可能比真恒星多,由于未能发光,要寻找也颇为困难。它们会释出红外线,可凭地面的红外线侦测器来侦测,但由提出至证实发现足足用了数十年。
近期的研究则指出,恒星能发光发热除取决于质量外,也包括其内含的化合物。一些棕矮星的质量达到90个木星仍不能点燃内部的氢。还有当一团星云塌缩时,除产生恒星外,也会产生不发光的棕矮星,其质量少于13个木星。
首个棕矮星于1995年得到证实,至今已有百多个。现时普遍认为棕矮星是银河系中数目最多的天体之一,较接近地球的棕矮星位于印第安座的epsilon星,该恒星拥有两颗棕矮星,距离太阳12光年。
白矮星
白矮星(White Dwarf)是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为它的颜色呈白色、体积比较矮小,因此被命名为白矮星。
也有人认为,白矮星的前身可能是行星状星云.
白矮星属于演化到晚年期的恒星。恒星在演化后期,抛射出大量的物质,经过大量的质量损失后,如果剩下的核的质量小于1.44个太阳质量,这颗恒星便可能演化成为白矮星。对白矮星的形成也有人认为,白矮星的前身可能是行星状星云(是宇宙中由高温气体、少量尘埃等组成的环状或圆盘状的物质,它的中心通常都有一个温度很高的恒星──中心星)的中心星,它的核能源已经基本耗尽,整个星体开始慢慢冷却、晶化,直至最后“死亡”。
白矮星具有这样一些特征:
1.体积小,它的半径接近于行星半径,平均小于103千米。
2.光度(恒星每秒钟内辐射的总能量,即恒星发光本领的大小)非常小,要比正常恒星平均暗103倍。
3.质量小于1.44个太阳质量。
4.密度高达10^6~10^7克/厘米3,其表面的重力加速度大约等于地球表面重力加速度的10倍到104倍。假如人能到达白矮星表面,那么他休想站起来,因为在它上面的引力特别大,以致人的骨骼早已被自己的体重压碎了。
5.白矮星的表面温度很高,平均为103℃。
6.白矮星的磁场高达105~107高低
目前人们已经观测发现的白矮星有1000多颗。天狼星(Sirius)的伴星是第一颗被人们发现的白矮星,也是所观测到的最亮的白矮星(8等星)。1982年出版的白矮星星表表明,银河系中有488颗白矮星,它们都是离太阳不远的近距天体。根据观测资料统计,大约有3%的恒星是白矮星,但理论分析与推算认为,白矮星应占全部恒星的10%左右。
白矮星是一种很特殊的天体,它的体积小、亮度低,但质量大、密度极高。比如天狼星伴星(它是最早被发现的白矮星),体积比地球大不了多少,但质量却和太阳差不多!也就是说,它的密度在1000万吨/立方米左右。
根据白矮星的半径和质量,可以算出它的表面重力等于地球表面的1000万-10亿倍。在这样高的压力下,任何物体都已不复存在,连原子都被压碎了:电子脱离了原子轨道变为自由电子。
白矮星是一种晚期的恒星。根据现代恒星演化理论,白矮星是在红巨星的中心形成的。
当红巨星的外部区域迅速膨胀时,氦核受反作用力却强烈向内收缩,被压缩的物质不断变热,最终内核温度将超过一亿度,于是氦开始聚变成碳。
经过几百万年,氦核燃烧殆尽,现在恒星的结构组成已经不那么简单了:外壳仍然是以氢为主的混和物;而在它下面有一个氦层,氦层内部还埋有一个碳球。核反应过程变得更加复杂,中心附近的温度继续上升,最终使碳转变为其他元素。
与此同时,红巨星外部开始发生不稳定的脉动振荡:恒星半径时而变大,时而又缩小,稳定的主星序恒星变为极不稳定的巨大火球,火球内部的核反应也越来越趋于不稳定,忽而强烈,忽而微弱。此时的恒星内部核心实际上密度已经增大到每立方厘米十吨左右,我们可以说,此时,在红巨星内部,已经诞生了一颗白矮星。
我们知道,原子是由原子核和电子组成的,原子的质量绝大部分集中在原子核上,而原子核的体积很小。比如氢原子的半径为一亿分之一厘米,而氢原子核的半径只有十万亿分之一厘米。假如核的大小象一颗玻璃球,则电子轨道将在两公里以外。
而在巨大的压力之下,电子将脱离原子核,成自由电子。这种自由电子气体将尽可能地占据原子核之间的空隙,从而使单位空间内包含的物质也将大大增多,密度大大提高了。形象地说,这时原子核是“沉浸于”电子中。
一般把物质的这种状态叫做“简并态”。简并电子气体压力与白矮星强大的重力平衡,维持着白矮星的稳定。顺便提一下,当白矮星质量进一步增大,简并电子气体压力就有可能抵抗不住自身的引力收缩,白矮星还会坍缩成密度更高的天体:中子星或黑洞。
白矮星是恒星演化末期产生的天体。这些恒星不能维持核聚变反应,所以在经过氦闪进化到红巨星阶段之后,他们会将外壳抛出形成行星状星云,而留下一个核聚变产生的的高密度核心,即白矮星。
由于缺乏能量的来源,白矮星会逐步释放热能而发光而冷却。其核心靠电子的斥力对抗重力,其密度可达每立方厘米十吨。电子斥力不足以支持超过1.4倍太阳质量的白矮星,外壳的重力会进一步使恒星塌缩成中子星或者黑洞。这个过程中经常伴随着超新星爆发。
释放能量会造成恒星逐步冷却,表面温度逐渐降低,恒星的颜色也会随之变化。经过数千亿年之后,白矮星会冷却到无法发光,成为黑矮星。但是目前普遍认为宇宙的年龄(150亿年)不足以使任何白矮星演化到这一阶段。
形成
白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点。在红巨星阶段的末期,恒星的中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段而停止产生能量(产生比铁还重的元素不能产生能量,而需要吸收能量)。恒星外壳的重力会压缩恒星产生一个高密度的天体。
一个典型的稳定独立白矮星具有大约半个太阳质量,比地球略大。这种密度仅次于中子星和夸克星。如果白矮星的质量超过1.4倍太阳质量,那么原子核之间的电荷斥力不足以对抗重力,电子会被压入原子核而形成中子星。
大部分恒星的演化过程都包含白矮星阶段。由于很多恒星会通过新星或者超新星爆发将外壳抛出,一些质量略大的恒星也可能最终演化成白矮星。
双星或者多星系统中,由于星际物质的交换,恒星的演化过程可能与单独的恒星不同,例如天狼星的伴星就是一颗年老的大约一个太阳质量的白矮星,但是天狼星是一颗大约2.3个太阳质量的主序星。
褐矮星
brown dwarf
褐矮星是构成类似恒星,但质量不够大,不足以在核心点燃聚变反应的气态天体。其质量在恒星与行星之间。
褐矮星是处于最小恒星与最大行星之间大小的天体,由于这一原因褐矮星非常暗淡,要发现它们十分复杂,因此要确定它们的大小就更加复杂。但是最近天文学家成功地发现了组成双星系统的两颗褐矮星,在确定它们围绕共同重心运行的参数之后,计算出这两颗褐矮星的重量和大小。
天文学家花了12年研究才发现这两颗褐矮星,总共观察了300多个夜晚和进行了1600次测量,结果计算出两颗相当年轻褐矮星(还不满100万年)全部必需的参数,它们位于离开地球1500光年的猎户星座。双星系统中较大一颗褐矮星直径超过木星50倍,而较小一颗褐矮星直径比木星大30倍,也就是说,它们的直径分别为太阳直径的70%和50%。尽管它们初看起来不算矮小,但是它们的质量分别仅为太阳质量的5.5%和3.5%。
天文学家还意外发现较轻褐矮星表面的温度更高些,虽然“普通”恒星的情形相反:恒星质量越大,它就越炽热。或许,引起这反常现象的原因在于某种物理作用过程,现代恒星结构理论没有考虑到这种物理作用过程(比如恒星的强烈磁场)。此外,这两颗褐矮星可能不是同时形成,也不是在同一地点形成,而是由于某种灾变而结合在一起,因此它们的表面温度不同,但是这一切暂时仍只是一种假设。
红矮星
根据赫罗图,红矮星在众多处于主序阶段的恒星当中,其大小及温度均相对较小和低,在光谱分类方面属于K或M型。它们在恒星中的数量较多,大多数红矮星的直径及质量均低于太阳的三分一,表面温度也低于3,500 K。释出的光也比太阳弱得多,有时更可低于太阳光度的万分之一。又由于内部的氢元素核聚变的速度缓慢,因此它们也拥有较长的寿命。红矮星的内部引力根本不足把氦元素聚合,也因此红矮星不可能膨胀成红巨星,而逐步收缩,直至氢气耗尽。也因为一颗红矮星的寿命可多达数百亿年,比宇宙的年龄还长,因此现时并没有任何垂死的红矮星。
人们可凭着红矮星的悠长寿命,来推测一个星团的大约年龄。因为同一个星团内的恒星,其形成的时间均差不多,一个较年老的星团,脱离主序星阶段的恒星较多,剩下的主序星之质量也较低,惟人们找不到任何脱离主序星阶段的红矮星,间接证明了宇宙年龄的存在。
人们相信,宇宙众多恒星中,红矮星占了大多数,大约75%左右。例如离太阳最近的恒星,半人马座的南门二比邻星,便是一颗红矮星,其光谱分类为M5,视星等11.0。