Question

论述白矮星、中子星和黑洞的形成条件和物理特征,并分析黑洞的奇点性质.

Answer 1

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.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.
[编辑本段]白矮星的密度
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.
对单星系统而言,由于没有热核反应来提供能量,白矮星在发出光热的同时,也以同样的速度冷却着.经过一百亿年的漫长岁月,年老的白矮星将渐渐停止辐射而死去.它的躯体变成一个比钻石还硬的巨大晶体——黑矮星而永存.
而对于多星系统,白矮星的演化过程则有可能被改变.
白矮星相关
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,也称为简并矮星,是由电子简并物质构成的小恒星.它们的密度极高,一颗质量与太阳相当的白矮星体积只有地球一般的大小,微弱的光度则来自过去储存的热能.在太阳附近的区域内已知的恒星中大约有6%是白矮星.这种异常微弱的白矮星大约在1910年就被亨利·诺瑞斯·罗素、艾德华·查尔斯·皮克林和威廉·佛莱明等人注意到[3], p. 1白矮星的名字是威廉·鲁伊登在1922年取的.白矮星被认为是低质量恒星演化阶段的最终产物,在我们所属的星系内97%的恒星都属于这一类.,
中低质量的恒星在渡过生命期的主序星阶段,结束以氢融合反应之后,将在核心进行氦融合,将氦燃烧成碳和氧的3氦过程,并膨胀成为一颗红巨星.如果红巨星没有足够的质量产生能够让碳燃烧的更高温度,碳和氧就会在核心堆积起来.在散发出外面数层的气体成为行星状星云之后,留下来的只有核心的部份,这个残骸最终将成为白矮星.因此,白矮星通常都由碳和氧组成.但也有可能核心的温度可以达到燃烧碳却仍不足以燃烧氖的高温,这时就能形成核心由氧、氖和镁组成的白矮星.同样的,有些由氦 组成的白矮星是由联星的质量损失造成的.
白矮星的内部不再有物质进行核融合反应,因此恒星不再有能量产生,也不再由核融合的热来抵抗重力崩溃；它是由极端高密度的物质产生的电子简并压力来支撑.物理学上,对一颗没有自转的白矮星,电子简并压力能够支撑的最大质量是1.4倍太阳质量,也就是钱德拉塞卡极限.许多碳氧白矮星的质量都接近这个极限的质量,通常经由伴星的质量传递,可能经由所知道的碳引爆过程爆炸成为一颗Ia超新星.
白矮星形成时的温度非常高,但是因为没有能量的来源,因此将会逐渐释放它的热量并解逐渐变冷 (温度降低),这意味着它的辐射会从最初的高色温随着时间逐渐减小并且转变成红色.经过漫长的时间,白矮星的温度将冷却到光度不再能被看见,而成为冷的黑矮星.但是,现在的宇宙仍然太年轻 (大约137亿岁),即使是最年老的白矮星依然辐射出数千度K的温度,还不可能有黑矮星的存在 .