白矮星可能通過吸積變成中子星或黑洞嗎?

如題。據我所知,la 型超新星就是白矮星吸積其伴星引發的爆炸。那麼爆炸之後,除了化為烏有的情況外,有沒有可能坍縮成中子星或黑洞呢?謝謝!


謝邀。

可以的,白矮星可以通過吸積物質變為中子星。

白矮星(WD,white dwarf),包含氦白矮星(He WD,成分為氦元素)、碳氧白矮星(CO WD,成分為碳、氧元素)、氧氖鎂白矮星(ONeMg WD)。大致,He WD是質量小於0.5倍的太陽質量的恆星的演化產物,CO WD是0.5-8倍太陽質量的恆星的演化產物,ONeMg WD是CO WD吸積物質經CO聚變而形成的。

吸積的WO WD的演化有許多可能性,許多演化通道,Ia型超新星只是其中的一種。

  • 吸積過程沒有發生CO WD轉變為ONeMg WD,則演化結局是type Ia SN。CO WD吸積後達到錢德拉塞卡極限,電子簡併壓無法支撐星體,開始引力坍縮。由位力定理,坍縮釋放的引力能的一半轉變為內能,加熱CO WD。一旦達到CO聚變溫度,CO WD將出現失控的CO燃燒,短時間內釋放的能量超過星體的引力束縛能,便爆炸得一無所有,留下快速膨脹的行星狀星雲了。
  • 吸積過程發生CO WD轉變為ONeMg WD,則結局可能是CCSN(core collapse supernova,鐵核坍縮型超新星),或者ECSN,都形成中子星。

CO WD通過吸積物質形成中子星的ECSN演化通道大致如下:

  1. CO WD轉變成ONeMg WD。CO WD吸積He,視吸積率在表面形成He殼層,之後He殼層穩定燃燒(3 α反應)為C。積累一定的C,由於穩定結構的白矮星,其質量反比於半徑的3次方,因此隨著質量增加,半徑收縮,釋放引力勢能,加熱星體;於是在收縮加熱和表面燃燒的He的作用下,表面局部溫度可能達到4α反應的溫度,即C和He發生聚變反應,燃燒為O。因此,在He燃燒峰面以內出現C燃燒峰面,這個峰面迅速的向CO WD內部傳播(爆燃或爆轟),峰面中進行生成O的4α反應、C聚變為Mg(C連續俘獲3個α)的反應、O和He聚變為Ne的反應。於是,經過聲速傳到內部的這段時間後,C燃燒峰面將CO WD轉變成ONeMg WD。
  2. ONeMg WD坍縮。如果吸積沒有停止,ONeMg WD有可能轉變為中子星。這一步就是ECSN,即electron capture supernova,電子俘獲型超新星。ONeMg WD持續吸積物質,質量持續增大,半徑持續收縮,密度增大。當內部局部的密度高達 10^9 g/cm^3 Ne、Mg原子核便會俘獲簡併態的電子(逆β衰變),形成富中子核。產生三個過程,一是支撐星體的電子簡併壓從局部開始迅速減小,於是引力驅使半徑快速收縮,使更多的區域達到俘獲電子的臨界密度;二是俘獲釋放的能量被中微子帶走,核心開始冷卻,降低輻射壓力,簡併壓獨木難支;三是富中子核被核心內外溫度差產生的對流運動帶到核心的表面,將核心的能量帶到外面,並且因富中子核不穩定而 eta 衰變,釋放遺留在原子核中的電子動能。此三個過程導致ONeMg WD在動力學時標內坍縮。
  3. 坍縮的ONeMg WD通過ECSN誕生中子星。隨著NeMg俘獲電子,電子與原子核中的質子結合為中子,ONeMg富中子化,核在自身的不穩定性以及坍縮引力能釋放的高能光子的作用下,解離為中子,此為中子化過程。與此同時,電子與質子的結合釋放高通量的電子味中微子流,帶走大量的能量。這些中微子流可能加熱坍縮較慢的外圍物質,形成向外的激波,可能導致部分物質被拋射到星際空間。內部在中子化完成過程中,仍在坍縮,直到中子化完成。此刻,我們說中子星形成了。

CO WD通過吸積物質形成中子星的CCSN演化通道大致如下:

  1. CO WD轉變成ONeMg WD。過程同ECSN。
  2. ONeMg WD核心轉變為Fe core。如果吸積He沒有停止,ONeMg WD也有可能轉變為Fe core。條件是密度沒有達到電子俘獲的臨界密度,而溫度達到α反應鏈溫度。這樣ONeMg核經α反應鏈合成Si,Si俘獲中子、質子、α等合成更重的元素,直到Fe。這個核反應過程,α鏈在內部非中心的位置開始,以燃燒峰面向里向外傳播,Si的重元素合成則隨後在星體內部進行。此刻,星體近似一個洋蔥結構,重元素在裡面,輕元素在外。
  3. Fe core進行CCSN誕生中子星。如果吸積持續,越來越多的元素被轉化為Fe,Fe core質量持續增加,最終達到錢德拉塞卡極限,隨後的物理過程見我的回答超新星爆炸可以有多恐怖?Paul Kant的回答。

註:He氦元素,C碳元素,O氧元素,Ne氖元素,Mg元素,Si硅元素,Fe元素。


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