哈勃太空望遠鏡拍攝的M3星團（左）和M13星團（右）。ESA/Hubble &NASA供圖
記者 沈春蕾
宇宙中絕大部分恒星最終會演化成白矮星，進入衰老期。此前的研究認為，白矮星都會以相同的速度冷卻寂滅。
近日，一個國際研究團隊發現，存在一類新的白矮星，其衰老過程較恒星標準演化模型更緩慢。相關研究成果9月6日發表于《自然—天文學》。
恒星延緩衰老的秘訣
恒星演化理論表明，不是所有恒星都以同樣的方式衰老死亡。
質量大于10倍太陽質量的恒星，一般會形成超新星爆發而結束一生。但宇宙中的絕大多數恒星（約98%）最終會演化成為白矮星，然后逐漸冷卻變暗，繼而衰老死亡。因此，作為最終產物的白矮星也意味著“年老的恒星”。
什么是白矮星？在恒星演化的最后階段，外層物質迅速拋射，最后只留下曾經的“星核”，即白矮星，之后隨著時間推移逐漸冷卻寂滅。
“因為白矮星極為致密，無法通過引力收縮或核反應再產生能量，所以一般認為白矮星都會以相同的速度冷卻。”論文第一作者、意大利博洛尼亞大學和意大利國立天體物理研究所博士研究生陳劍星告訴《中國科學報》，“我們的研究發現并不是所有的白矮星都以同樣的方式冷卻結束，存在一類比正常情況冷卻更慢的白矮星。”2019年，畢業于北京師范大學后，陳劍星獲國家留學基金委資助赴意大利博洛尼亞大學攻讀博士學位。
為什么這類白矮星的冷卻更慢？論文通訊作者、意大利博洛尼亞大學和意大利國立天體物理研究所教授Francesco Ferraro解釋道：“這類白矮星依然存在殘留的氫殼層，殼層的質量雖然很薄，大約為太陽質量的1/10000，但已經足夠維持其表面的穩定核反應，從而確保其有足夠的能量延緩冷卻進程。”
“雙胞胎星團”冷卻差異
Ferraro帶領國際團隊開展的研究基于對兩個大型恒星集團的觀測：球狀星團M3與M13。球狀星團M3與M13在很多物理特性方面都極為相似，例如總質量、年齡和金屬豐度等。所以這兩個星團有時也被稱作“雙胞胎星團”。
研究團隊利用哈勃太空望遠鏡（HST）的深空數據，對這兩個極為相似的恒星系統進行比較研究時發現，雖然M3與M13很多地方相似，但在恒星演化接近晚期的階段卻存在較顯著的區別。這也為研究白矮星存在不同的冷卻過程提供了理想的研究樣本。
論文作者之一、意大利國立天體物理研究所博士Mario Cadelano說：“哈勃太空望遠鏡對這兩個球狀星團提供了極佳的觀測數據，無論是數據質量還是對星團中心較為完整的覆蓋范圍，讓我們可以在恒星演化方面對M3和M13進行精確的比較。”
在對兩個球狀星團進行比較研究的過程中，研究團隊驚訝地發現，在相同星等范圍區間內，M13的白矮星的數量要明顯地多于M3（M13中包含超過460顆白矮星，而M3中只有326顆）。更令人意外的是，M13包含的總體恒星的數量卻比M3要少一些。也就是說，M13和M3中的白矮星冷卻特征存在明顯不同：M13的白矮星相較于M3而言，冷卻速率更慢。
論文作者之一、阿根廷拉普拉塔國立大學教授Leandro Althaus參與構建了緩慢冷卻的白矮星模型，他解釋道：“氫殼層燃燒提供的能源的確延緩了白矮星的冷卻過程，并產生了一類‘緩慢冷卻白矮星’，其外表和普通白矮星極為相似，但冷卻時間卻顯著不同。”
由于兩類白矮星存在不同的物理機制，從而導致在觀測上產生了不同的表觀特征，但也引出了一個新的問題：為什么M13存在這類機制，M3卻不存在呢？是什么導致了白矮星核心外圍存在不同程度的殘余氫包層呢？
在演化階段尋找答案
“所有答案都可以回到白矮星之前的演化階段尋找。”陳劍星說。
白矮星通常被認為已經結束了核反應，只存在純粹的冷卻過程，隨著時間推移逐漸變冷變暗。但陳劍星等人的研究表明，純冷卻過程并不適用于所有的白矮星，而取決于其過去經歷的演化階段，一些白矮星可能依然存在其他的能量來源從而維持比普通白矮星更長的冷卻時間。
陳劍星打了一個比方：“如果把白矮星比作老年人，那么其前身星所經歷的演化階段就像人的一生，有些人遇到一些‘重大的打擊’耗盡所有的精力后，容易迅速衰老，無法再煥發出年輕時的活力；有些人卻很幸運地避免經歷類似的‘重大打擊’，在他們退休安度晚年之時依然能夠精神煥發。”
對于恒星來說，可以稱得上“重大打擊”的演化過程則是“第三次疏浚”，這是發生在即將進入白矮星演化階段時的一類元素混合過程。此時恒星殼層的絕大多數氫由于疏浚幾乎燃燒殆盡，無法再提供新的能量。但是，有一些更小質量的恒星可以跳過“疏浚”階段，直接演化成白矮星，而此時就能保存更多的殼層氫。
由于M13中大部分恒星的質量相對低一些，從而能夠跳過“疏浚”階段。“通過將慢冷卻白矮星模型與恒星演化的標準模型相結合，我們可以精確再現M3和M13的特征。因此，這一發現為我們探究低質量恒星的最終演化階段，尤其是探究演化末期展現出的不同特征之間的關聯提供了很好的機會。”論文作者之一、英國利物浦約翰摩爾斯大學教授Maurizio Salaris說。
這項研究結果也將對天文學家測量銀河系恒星年齡產生直接影響。
在此之前，白矮星演化模型是可預測的冷卻過程，冷卻溫度與恒星年齡之間有一定的關聯。所以白矮星的冷卻速率也被當作宇宙時鐘，從而可以確定所在星團的年齡。如果白矮星殼層存在氫燃燒，那么根據之前的方法確定的恒星年齡不確定度可達10億年。
Ferraro最后總結說：“我們此次的發現改變了目前普遍對白矮星的定義，并且打開了對恒星演化衰亡過程新的認知，為進一步探索維持氫殼層從而減緩白矮星冷卻的機制。我們正對其他類似M13的球狀星團進行新的研究。”
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