跳到主要内容
Sandbox Physics

AC31 · 恒星遗骸里的热

白矮星冷却与结晶

白矮星结晶时,为什么会冷得更慢? 白矮星靠散去储存的热继续发光。结晶会释放潜热,成分重新分布还可能供给额外能量,让冷却放慢。要把亮度换成年龄,必须知道质量、大气和内部物理。

把探针拖过部分结晶的核心,看一个球壳怎样释放潜热。再比较已发表模型与同质量参照中的冷却平台。

交互模型白矮星冷却与结晶
核心温度2.35×106 K2.35\times10^{6}\,\mathrm K
核心固相质量占比40%40\%
模型光度1.87×10−5 L⊙1.87\times10^{-5}\,L_\odot
未校准的模型已逝时间9.2 Gyr9.2\,\mathrm{Gyr}

当前所选的独立时钟

结晶前沿向外生长

剖面随所选核心适配画幅,实际外半径为 7.19×108 cm7.19\times10^{8}\,\mathrm{cm}

来源结构的总质量 0.608 M⊙0.608\,M_\odot

探针处的物质液态ρ=9.89×105 g cm−3\rho=9.89\times10^{5}\,\mathrm{g\,cm^{-3}}Γ=151\Gamma=151

模型时钟里的核心温度

9.219.82.351.85
T/(106 K)T/(10^6\,\mathrm K)t/(109 yr)t/(10^9\,\mathrm{yr})

纵轴为缩放的核心温度,金线标出这段演示里的当前时刻。

储存的热与潜热以光离开

9.219.86.020
E/(1046 erg)E/(10^{46}\,\mathrm{erg})t/(109 yr)t/(10^9\,\mathrm{yr})

纵轴为缩放的能量。绿色为显热损失,蓝色为已释放潜热,金色为已发出的光子能量。

已释放潜热6.61×1045 erg6.61\times10^{45}\,\mathrm{erg}
已发出的光子能量4.46×1046 erg4.46\times10^{46}\,\mathrm{erg}
显热支路的热容
离子热容2.34×1040 erg K−12.34\times10^{40}\,\mathrm{erg\,K^{-1}}
电子热容4.1×1038 erg K−14.1\times10^{38}\,\mathrm{erg\,K^{-1}}

这里显示显热对温度的导数,潜热另计。恰在单元熔点时,保存的导数采用固态一侧支路。

物理教程

看储存的热怎样离开结晶核心

背景简并电子可以继续支撑白矮星,热能则不断向外流失。致密的离子物质能在很高温度结晶,途中还会释放潜热。

为什么值得理解冷却的光要变成时钟,先得指定质量、包层和内部供热。先在受控核心里追踪每份热,再与独立的已发表表面序列比较。

先抓重点

核心问题
外面仍在发光,核心温度为什么会停一停?
一句话直觉
冻结释放的潜热能承担向外辐射,让显热不必同样快地减少。

核心数学模型

受控模型的热能

E(T,{fi})=Usens(T)+∑i(1−fi)qiE(T,\{f_i\})=U_{\rm sens}(T)+\sum_i(1-f_i)q_i

每个 fif_i 是一个质量球壳的固相占比,qiq_i 是该壳给定的潜热储库;显热支路分别计算离子与电子热容。

离开模型的热

dEdt=−L(T),L∝T7/2\frac{dE}{dt}=-L(T),\qquad L\propto T^{7/2}

光度来自声明的Kramers包层近似。这里的温度指模型核心,不是光球有效温度。

各球壳有自己的冻结温度

Γi=Z2e2aikBT,ai=(34πni)1/3\Gamma_i=\frac{Z^2e^2}{a_i k_BT},\qquad a_i=\left(\frac3{4\pi n_i}\right)^{1/3}

纯碳单组分模型在给定耦合阈值结晶。密度更高的球壳,冻结温度也更高。

常见难点

把支撑当热库

容易误解电子提供简并压,就一定包办全部热能。

正确理解压力支撑与热容量回答不同问题。受控计算把离子和电子热项分开。

把半径当质量

容易误解前沿走到核心半径一半,就结晶了一半质量。

正确理解质量还取决于径向密度剖面。固相质量从球壳积分,不能只看蓝色半径。

把所有时间拼起来

容易误解受控模型走过的长时间,可以接到已发表冷却年龄上。

正确理解模型的物理和起点不同。可见的未校准已逝时间不是恒星年龄测量,原生序列也保留自己的时钟。

动手实验

  1. 01

    穿过固液边界

    把金色探针从暖色液态区拖进蓝色固态区。

    你会看到: 相态、密度和温度都来自所选球壳、同一个保存时刻。
  2. 02

    赶上球壳释放潜热

    选择潜热平台,对照温度、已释放潜热和已辐射能量。

    你会看到: 相变时球壳可以继续向外供热,温度暂时不变。
  3. 03

    走到冷尾

    选择Debye冷尾,展开显热支路的热容,比较离子与电子两项。

    你会看到: 固态离子的热容在低温下降,电子项则单独计算,没有被悄悄丢掉。
  4. 04

    换一份计算,也读清它的钟

    打开已发表平台,再在展开的模型选择中比较STD、部分与完整蒸馏。

    你会看到: 这些是有原生起点、经过约十亿年平滑的表面序列,没有内部前沿。受控核心仍使用自己未校准的模型钟。

相关实验与文章

白矮星的热与时钟 · 阅读路径

白矮星的热与时钟

这条阅读路径里用到本实验的文章,后面跟着它们推荐的其他实验。

  1. 文章白矮星为什么冷得这么慢
  2. 文章恒星熄火后,热还藏在哪里
  3. 文章结晶怎样拖慢白矮星冷却
  4. 文章怎样从亮度推回冷却年龄
  5. 文章用原始Gaia数据比较白矮星冷却模型
  6. 文章白矮星里的晶体为什么会浮起来
反馈这个页面有错误、看不明白,或者缺了什么?告诉我们
反馈类型

提交时会附带本页地址、Lab ID、网站语言和设备类型。请不要填写个人信息。反馈最多保存 12 个月。隐私政策