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作者：徐成亮
校对：牧夫校对组
编排：陶邦惠
后台：库特莉亚芙卡李子琦
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近来,天文学家们发现了一颗可能是由两颗白矮星合并产生的星体，这颗奇特星体的编号为WDJ+（以下简称W+），距离我们约光年。
预备知识
白矮星同中子星一样，属于密度特别大的致密星。而且都是恒星演化到耄耋之年的产物。它们不再像我们的太阳一样，在内部还有氢和氦的燃烧。它们的燃料已经完全耗尽，只会向外慢慢地辐射年轻时残存的热能。以至于它们会在接下来的日子里逐渐地向外散发着自己的光和热直至完全冷寂。我们的太阳目前还在中年时期，等到内部的氢消耗殆尽时，它将会偏离赫罗图的主序带而它最终的归属就是白矮星。
图例为表示恒星特性的赫罗图，横轴表示恒星的表面温度，纵轴表示恒星的表面亮度，左下角星号标记的就是我们的主角—白矮星WDJ+。（修改自Wikipedia.org赫罗图）
所以白矮星并不是凭空诞生的，只有具备太阳这类中等大小的恒星为前提，经过几十亿年的演化，最后呈现出来的才是白矮星。但是这样的老年星筋骨并不疏松，反倒异常稠密。恒星演化的特性使得它的质量分布在0.3至1.2个太阳质量之间，而大小却只能和地球相类比。这样一来，它的密度约为10~10kg/m，意味着1个骰子大小的地方有着20辆重型卡车重量。
如此极端的情况下，白矮星内部的原子的电子结构被完全破坏，只剩下了赤裸的原子核和自由电子。这时候还能够与引力抗衡的就是电子简并压了。年，钱德拉塞卡利用电子简并压力模型算出了白矮星的极限质量为太阳质量的1.4倍，质量再大一些，白矮星则会转变为中子星。后人称之一质量极限为钱德拉塞卡极限。我们当下发现的白矮星质量在0.3~1.2个太阳质量范围内也确实佐证了这一点。
理论上证明白矮星质量极限的印度裔美国籍科学家钱德拉塞卡（百度图片）
奇怪的三大特性
01
异乎寻常的质量
前面我们提到，由于钱德拉塞卡极限，白矮星的质量都会小于1.4个太阳质量，这是理论极限。而实际统计发现的结果显示，普遍的白矮星质量是太阳质量的0.6倍。而这颗W+的质量并不老实，它的质量是太阳的1.14倍。这仿若一场测验，在满分的卷子里，多数的白矮星都考了半数分，而惟独这颗W+却接近了满分，这就值得让我们为之注意了。如此大的质量，加上有地球直径的2/3的大小，意味着内部更加骇人的压力，这也进一步增加了它的不寻常。
从恒星演化赫罗图中提取出白矮星的部分，这颗星的位置说明它的质量较大，但是半径却比较小。红线和蓝线之间的区域则暗含了这部分区域白矮星的不稳定程度。(论文插图)
02
诡异的大气成分
通常在形成白矮星之前，恒星要经历红巨星的阶段。红巨星最核心的氢已烧完，内部会开始进行氦的燃烧以形成碳氮氧等元素。到此，由于白矮星内部温度不够高，不足以支撑核心下一步的核反应。等到内部燃料再次燃烧完毕，红巨星就会抛散绝大多数星体外层的结构而裸露成白矮星。
所以尽管白矮星“样式繁多”，大部分的白矮星都是由碳、氧组成的。而当我们观测白矮星表面时，我们可能会看到氢的外层、或者氢夹杂着氦、抑或氦混合着碳。幸运一些的话，我们可以在表面发现一些内部对流作用而翻滚上来的氧。但是，对于W+这颗星体就有点特殊了，我们在它的表面包层发现了碳和氢，而且的两者的数量之比为0.15左右。
天文学上对恒星演化的过程已经研究的很详致了，按照正常的演化秩序，根本不会在W+的大气表面产生这两种牛马不相及的成分，更何况碳的比例还不是一点点。按理来说，在氢和碳会有一层浓厚的氦包层阻止它们的“私通”。这样不合规矩的发现也暗示着W+的诡异来源。
以碳氧为核心的白矮星结构模拟图。从外往内为氢壳层，氦壳层和碳氧核心（图源Researchgate）
03
超快的运动速度
这颗W+和若干系内的恒星一样，在围绕着银河系的中心运转。这些星体们都会以一个大致特定的速度进行绕转，我们用一个“银河系标准框架”来描述银河系物体的围绕银心运转的速度，这一速度范围在-km/s。但是这些星体也会像一个多动症的孩子一般，还会有偏离银心的运动，这也被称之为偏离银河系标准框架的运动。
我们利用精细的光谱学手段测定银河系内任意看得见的恒星的运动速度，再通过几何关系就能知道这些星体相对于银河系这样的标准框架的速度是多少了。
结果很意外，这颗W+的绕转速度和其他的白矮星不太一样。测到的W+相对标准框架还有约km/s的相对速度。这也比其他一般的星体快多了，使它看上去更像个挑事的刺头。
那么速度快又意味着什么呢？结合着统计数据发现，同样是在银河系里转，年老的星体穿行的速度普遍比年轻的恒星快。天文界普遍认为，W+这颗天行者在白矮星的行当里，算得上是个上了岁数的老恒星了。
除了绕转运动外，白矮星的主要活动就是冷却。因为没有核反应的发生，我们能够凭借白矮星的冷却速度和它的光度等信息推断处它的年龄。通过前后三次调用望远镜对这颗白矮星的观测，这样推导出的年龄却相对年轻。这与自身较高的动力学速度所暗示的年龄自相矛盾，研究人员们也没有找到一个可以完美解释如此情况的现有理论。
利用光谱分析发现WDJ+运动速度特征的西班牙4.2米威廉赫歇尔望远镜（图源wikipedia.org-WilliamHerschelTelescope）
猜测双星合并
让我们综合一下W+的反常现象：有点超重的质量、不该出现的碳、氢混合大气、过高的速度显现的诡异的年龄。单颗恒星的演化历程是显然是不太可能走成这个样子了，那么还会有怎样的可能才能演化到这个样子呢？
让两颗白矮星合并或许是最好的选择。最容易联想的，就是两颗白矮星相互绕转最后合并在一起了。这和双黑洞、双中子星合并过程的场面差不多，但是也略有区别：一个有着数十亿年的双星系统，其中的一颗星相对它的伴星提前演化到了红巨星阶段，成为红巨星后又不断地膨胀，最后外层不断地有物质受伴星的引力而被吸引过去，逐渐包裹着它的同伴。于是红巨星开始收缩，使得两颗双星的距离变得更近。随后，同样的，第二颗星也演化成了红巨星，使得两颗恒星彼此间的距离又被拉近。
整个轨道收缩最后合并的过程需要花费数十亿年的时间，合并的期间，会向外释放出引力波，使得轨道进一步收缩。如果它们最终并合的过程发生在现在的话，我们的引力波探测器就有机会捕捉到这样的信号。暂且目前，我们的发现的引力波信号都是黑洞或者中子星合并产生的，还没有发现双白矮星合并的例子。即便它们的引力波可以到达地球，由于白矮星质量较小的缘故，想要探测它们的引力波信号目前在技术上还是有一定难度的。所以，很遗憾，这件事暂时和引力波没什么关系了。
猜想毕竟是猜想，双星合并还不是板上钉钉的事情，如果W+是双星合并的，那么它理应会有比较大的自转速度。反应在光谱学上的行为就是，我们理应可以发现光谱较为客观的展宽行为，可事实上的光谱展宽数据不尽人意。
艺术想象下的双白矮星合并成WDJ+的场景
目前，我们通过测定W+的表面温度是推断得知双星合并时间发生在13亿年前。要通过判断它是不是白矮星合并的结果，光分析恒星的表面还不够，重点在于恒星的内核，内核不同，白矮星的特征属性就不一样，我们或许就可以搞明白W+是怎么来的了。但是我们白矮星如此致密，我们无法直接看到恒星的内核，我们可以利用星震学的手段作为下一步的探索工具。
所谓星震学，就是借由恒星震动情况来揭示内部结构。在白矮星冷却的过程中，会经历几个不同的不稳定阶段，期间会出现振动。由于振动，每一颗白矮星内部不同的化学组成，会带来各自独特的光强变化，从而可以借助望远镜测量来进一步描绘出其内部结构。
星震学可以帮助我们精确确定恒星参数，检验恒星内部的物理过程。自发形成的内核与碰撞形成的内核肯定是不一样，再结合当下天文学上日趋精密的光谱学测量，我们就能一窥到底地知晓这颗MDJ的来历了。
恒星和我们地球一样也存在“地震”，通过观察恒星的多种“地震”模式，我们可以部分地推断出恒星的内部结构（图源Wikipedia.org-Asteroseismology）
吃瓜群众表示有什么意义？
读者朋友们读到这里可能会拍板说：你说了一大堆，结果什么也没确定啊。且慢，对着W+的后续研究还在继续，但不管最后的结果会是两种当中的哪一种，都会让我们宇宙产生新的认知。
去年11月末，我国的LAMOST发现了最大恒星级黑洞，说明传统了恒星坍塌形成黑洞的理论还有不少缺陷。如果这样一颗白矮星被证实为单星演化而来的，那么无疑需要我们反过头来对恒星演化过程再做一番思考。而如果这样的一颗白矮星是双星合并产生的，那么如此剧烈的活动怎么没有使它变成超新星一样成为宇宙的灯塔呢？此前我们就发现过双白矮星合并成超新星的例子，而这颗W+的星却稳稳当当地没有任何要变成超新星的迹象。
或许就像LAMOST和那个超大恒星级黑洞一样，这样的一颗白矮星也可能会告诉我们隐藏在它背后的宇宙奥秘。
总之，不管最后探讨的结果如何，我们总是稳赚不赔的。所以为了让我们更进一步的了解宇宙，不如静静期待以后的结果吧。
参考资料
[1]Hollands,MarkA.,etal.Anultra-massivewhitedwarfwithamixedhydrogen–carbonatmosphereasalikelymergerremnant.NatureAstronomy(0):1-7.
[2]Sciencealert
