“老年恒星”也有讓自己顯年輕的秘訣。一項顛覆認知的新研究表明，白矮星在生命的最后階段可能會繼續(xù)燃燒氫使其看起來更年輕。

9月6日發(fā)表在《自然-天文學(xué)》的一項研究中，國際天文學(xué)家團隊利用哈勃太空望遠鏡的深度觀測結(jié)果比較了兩個相似恒星系統(tǒng)中的白矮星種群，發(fā)現(xiàn)一些白矮星通過在其表面燃燒氫減緩了老化速度。這一發(fā)現(xiàn)可能會對星團年齡的測量產(chǎn)生影響。

該研究所觀測的球狀星團 M13（左）和 M3（右）  圖源：NASA官網(wǎng)

“我們發(fā)現(xiàn)了首個觀測證據(jù)，證明白矮星仍然可以經(jīng)歷穩(wěn)定的熱核活動，”領(lǐng)導(dǎo)這項研究的意大利博洛尼亞大學(xué)博士陳劍星解釋說，“相當令人驚訝，因為這與普遍認知不符?！?/p>

白矮星是像太陽這樣的恒星在耗盡核燃料后變成的。所謂恒星，是指由熾熱氣體組成的、進行內(nèi)部核反應(yīng)、發(fā)光的天體。恒星有誕生、穩(wěn)定和衰亡的演化過程，持續(xù)約幾十億甚至上百億年，白矮星則是恒星的一種“老年”狀態(tài)。

比如，約50億年后，我們的太陽將耗盡其核心的氫，變成一顆紅巨星，體積劇烈膨脹以至于吞沒內(nèi)行星并灼燒地球表面。之后，它會拋灑掉外層，其裸露核心則變成一顆白矮星。

白矮星溫度很高，溫度超過10萬開爾文。一般，這顆白矮星會在接下來約十億年冷卻。實際上，恒星的死亡方式根據(jù)其質(zhì)量的不同有所差異。質(zhì)量大于10倍太陽質(zhì)量的恒星，一般會在生命末期進行超新星爆炸，留下中子星或黑洞。

宇宙中所有低于8個太陽質(zhì)量的恒星(約占恒星數(shù)量的98%）都會變成白矮星。為了研究白矮星演化的物理基礎(chǔ)，此項研究的科學(xué)家比較了兩大恒星群中的白矮星：球狀星團M3和M13。

“這兩個星團在許多方面都很相似，如年齡、金屬豐度（氫和氦之外的化學(xué)元素所占恒星的比例）等，它們被認為是‘雙胞胎’。然而，就像人類雙胞胎相似但不完全相同，這兩個星團的恒星種群中也表現(xiàn)出一些特定差異。由于白矮星是低質(zhì)量恒星演化的最后階段，因此這些差異可能會在后期階段產(chǎn)生可覺察的后果?！痹撜撐耐ㄓ嵶髡摺⒁獯罄┞迥醽喆髮W(xué)教授Francesco R. Ferraro對澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者表示。

利用哈勃3號寬視場照相機，研究小組在近紫外波段觀測M3和M13，比較兩個星團的700多顆白矮星。他們發(fā)現(xiàn)，M3包含標準的白矮星，恒星核不斷冷卻；而M13包含兩個白矮星群體：標準白矮星，以及那些設(shè)法抓住氫外層外殼、使自己能燃燒更久，從而冷卻得更慢的白矮星。

研究人員將他們的結(jié)果與M13恒星演化的計算機模擬結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)M13中大約70%的白矮星表面燃燒氫，從而減慢了它們的冷卻速度。

即使先前演化階段留下的相對少量的氫（幾個10^-4太陽質(zhì)量）也足以允許靜態(tài)熱核燃燒。對于低質(zhì)量 (小于0.6個太陽質(zhì)量) 和低金屬度(Z<0.001)的白矮星，這可以在冷卻序列的最亮部分提供不可忽略的能量來源（大于40%），然后迅速變得可以忽略不計的光度L，以太陽光度L⊙為單位，對應(yīng)于log(L/L⊙)≈?4。這種（通常被忽視的）能源會減慢冷卻過程，從而對白矮星光度函數(shù)產(chǎn)生可觀察到的影響。

穩(wěn)定的氫燃燒對低質(zhì)量白矮星的影響

“我們的發(fā)現(xiàn)改變了白矮星的定義本身。事實上，在所有天體物理學(xué)教科書和所有學(xué)術(shù)課程中，白矮星被描述為此前恒星的‘裸露的’核心。在恒星生命結(jié)束時，任何熱核活動都將永久終止，它們注定會變成隨著時間變得越來越冷?！盕erraro表示。

Ferraro介紹道，白矮星不可能產(chǎn)生能量，它們既不能通過熱核反應(yīng)，也不能通過引力收縮（它們的密度很高，無法壓縮，只能以恒定半徑冷卻）產(chǎn)生能量。因此，白矮星演化通常被描述為一個純冷卻過程，在此過程中，這些恒星隨著時間的推移變得更冷、更暗，變化速率基本相同，而且它們的年齡與其光度或溫度之間的關(guān)系非常嚴格，以至于天文學(xué)家通過白矮星的（變暗的）光度推導(dǎo)其年齡。

“事實上，白矮星冷卻率已被用作宇宙天文鐘來了解我們銀河系包括盤狀、球狀和疏散星團幾個種群的年齡。”Ferraro表示，“我們的發(fā)現(xiàn)改變了這種既定預(yù)測。我們發(fā)現(xiàn)，并非所有的白矮星都以相同的速度老化：其中一些比其他的老化得慢，因為它們（老得慢的白矮星）仍然有非常薄的殘余氫層為其提供額外能量來源，可以延遲它們的變暗和冷卻。當然，這對使用白矮星冷卻時間的自然時鐘有巨大影響?！?/p>

此次發(fā)現(xiàn)可能會對天文學(xué)家如何測量銀河系恒星的年齡產(chǎn)生影響。之前，白矮星的演化被模擬為一個可預(yù)測的冷卻過程，天文學(xué)家將白矮星的冷卻速率作為一個自然時鐘來確定星團的年齡。而燃燒氫的白矮星可能導(dǎo)致這些年齡估計不準確幅度達10億年。

“現(xiàn)在，我們正在研究其他類似M13的老星團中的白矮星，來提供這種現(xiàn)象的額外證據(jù)。 對白矮星的研究肯定值得新的驚喜，因為它們是宇宙中最緊密的物體之一：一茶匙白矮星的質(zhì)量相當于10頭大象。因此，這些研究肯定值得其他一些驚喜?！盕erraro表示。

論文鏈接為：https://www.nature.com/articles/s41550-021-01445-6