白矮星、紅矮星等的區(qū)別

【專家解說】：矮星（Dwarf star）：像太陽一樣的小主序星，如果是白矮星，就是像太陽一樣的一顆恒星的遺核。褐矮星沒有足夠的物質(zhì)進行熔化反應。
棕矮星（Brown dwarf）是類恒星天體的一種，質(zhì)量約為5至90個木星之間。與一般恒星不同，棕矮星由質(zhì)量不足，其核心并不會融合氫原子來發(fā)光發(fā)熱，無法成為主序星。但它們的內(nèi)部及表面均呈對流狀態(tài)，不同的化學物質(zhì)并不會在內(nèi)部分層存在?，F(xiàn)時人們?nèi)栽谘芯孔匕窃谶^往是否曾經(jīng)在某位置發(fā)生過核聚變，已知的是，質(zhì)量大于13個木星的棕矮星可融合氘。
棕矮星原先被稱為“黑矮星”，代表在字宙間漂浮的類恒星天體或質(zhì)量不足以發(fā)生核反應的天體。但“黑矮星”一詞現(xiàn)時是指一些停止發(fā)光，并已死亡的白矮星。
早期的恒星模型指出，一個天體欲成為真恒星，必須擁有80個以上的木星質(zhì)量，以產(chǎn)生核反應?！白匕恰钡睦碚撟畛跤?960年代早期提出，指其數(shù)量可能比真恒星多，由于未能發(fā)光，要尋找也頗為困難。它們會釋出紅外線，可憑地面的紅外線偵測器來偵測，但由提出至證實發(fā)現(xiàn)足足用了數(shù)十年。
近期的研究則指出，恒星能發(fā)光發(fā)熱除取決于質(zhì)量外，也包括其內(nèi)含的化合物。一些棕矮星的質(zhì)量達到90個木星仍不能點燃內(nèi)部的氫。還有當一團星云塌縮時，除產(chǎn)生恒星外，也會產(chǎn)生不發(fā)光的棕矮星，其質(zhì)量少于13個木星。
首個棕矮星于1995年得到證實，至今已有百多個?，F(xiàn)時普遍認為棕矮星是銀河系中數(shù)目最多的天體之一，較接近地球的棕矮星位于印第安座的epsilon星，該恒星擁有兩顆棕矮星，距離太陽12光年。
白矮星
白矮星(White Dwarf)是一種低光度、高密度、高溫度的恒星。因為它的顏色呈白色、體積比較矮小，因此被命名為白矮星。
也有人認為,白矮星的前身可能是行星狀星云.
白矮星屬于演化到晚年期的恒星。恒星在演化后期，拋射出大量的物質(zhì)，經(jīng)過大量的質(zhì)量損失后，如果剩下的核的質(zhì)量小于1．44個太陽質(zhì)量，這顆恒星便可能演化成為白矮星。對白矮星的形成也有人認為，白矮星的前身可能是行星狀星云（是宇宙中由高溫氣體、少量塵埃等組成的環(huán)狀或圓盤狀的物質(zhì)，它的中心通常都有一個溫度很高的恒星——中心星）的中心星，它的核能源已經(jīng)基本耗盡，整個星體開始慢慢冷卻、晶化，直至最后“死亡”。
白矮星具有這樣一些特征：
1.體積小，它的半徑接近于行星半徑，平均小于103千米。
2.光度（恒星每秒鐘內(nèi)輻射的總能量，即恒星發(fā)光本領的大?。┓浅Ｐ。日：阈瞧骄?03倍。
3.質(zhì)量小于1．44個太陽質(zhì)量。
4.密度高達106～107克／厘米3，其表面的重力加速度大約等于地球表面重力加速度的10倍到104倍。假如人能到達白矮星表面，那么他休想站起來，因為在它上面的引力特別大，以致人的骨骼早已被自己的體重壓碎了。
5.白矮星的表面溫度很高，平均為103℃。
6.白矮星的磁場高達105～107高低
目前人們已經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)的白矮星有1000多顆。天狼星(Sirius)的伴星是第一顆被人們發(fā)現(xiàn)的白矮星，也是所觀測到的最亮的白矮星（8等星）。1982年出版的白矮星星表表明，銀河系中有488顆白矮星，它們都是離太陽不遠的近距天體。根據(jù)觀測資料統(tǒng)計，大約有3％的恒星是白矮星，但理論分析與推算認為，白矮星應占全部恒星的10％左右。
白矮星是一種很特殊的天體，它的體積小、亮度低，但質(zhì)量大、密度極高。比如天狼星伴星（它是最早被發(fā)現(xiàn)的白矮星），體積比地球大不了多少，但質(zhì)量卻和太陽差不多！也就是說，它的密度在1000萬噸/立方米左右。
根據(jù)白矮星的半徑和質(zhì)量，可以算出它的表面重力等于地球表面的1000萬－10億倍。在這樣高的壓力下，任何物體都已不復存在，連原子都被壓碎了：電子脫離了原子軌道變?yōu)樽杂呻娮印?br> 白矮星是一種晚期的恒星。根據(jù)現(xiàn)代恒星演化理論，白矮星是在紅巨星的中心形成的。
當紅巨星的外部區(qū)域迅速膨脹時，氦核受反作用力卻強烈向內(nèi)收縮，被壓縮的物質(zhì)不斷變熱，最終內(nèi)核溫度將超過一億度，于是氦開始聚變成碳。
經(jīng)過幾百萬年，氦核燃燒殆盡，現(xiàn)在恒星的結構組成已經(jīng)不那么簡單了：外殼仍然是以氫為主的混和物；而在它下面有一個氦層，氦層內(nèi)部還埋有一個碳球。核反應過程變得更加復雜，中心附近的溫度繼續(xù)上升，最終使碳轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌亍?br> 與此同時，紅巨星外部開始發(fā)生不穩(wěn)定的脈動振蕩：恒星半徑時而變大，時而又縮小，穩(wěn)定的主星序恒星變?yōu)闃O不穩(wěn)定的巨大火球，火球內(nèi)部的核反應也越來越趨于不穩(wěn)定，忽而強烈，忽而微弱。此時的恒星內(nèi)部核心實際上密度已經(jīng)增大到每立方厘米十噸左右，我們可以說，此時，在紅巨星內(nèi)部，已經(jīng)誕生了一顆白矮星。
我們知道，原子是由原子核和電子組成的，原子的質(zhì)量絕大部分集中在原子核上，而原子核的體積很小。比如氫原子的半徑為一億分之一厘米，而氫原子核的半徑只有十萬億分之一厘米。假如核的大小象一顆玻璃球，則電子軌道將在兩公里以外。
而在巨大的壓力之下，電子將脫離原子核，成自由電子。這種自由電子氣體將盡可能地占據(jù)原子核之間的空隙，從而使單位空間內(nèi)包含的物質(zhì)也將大大增多，密度大大提高了。形象地說，這時原子核是“沉浸于”電子中。
一般把物質(zhì)的這種狀態(tài)叫做“簡并態(tài)”。簡并電子氣體壓力與白矮星強大的重力平衡，維持著白矮星的穩(wěn)定。順便提一下，當白矮星質(zhì)量進一步增大，簡并電子氣體壓力就有可能抵抗不住自身的引力收縮，白矮星還會坍縮成密度更高的天體：中子星或黑洞。
白矮星是恒星演化末期產(chǎn)生的天體。這些恒星不能維持核聚變反應，所以在經(jīng)過氦閃進化到紅巨星階段之后，他們會將外殼拋出形成行星狀星云，而留下一個核聚變產(chǎn)生的的高密度核心，即白矮星。
由于缺乏能量的來源，白矮星會逐步釋放熱能而發(fā)光而冷卻。其核心靠電子的斥力對抗重力，其密度可達每立方厘米十噸。電子斥力不足以支持超過1.4倍太陽質(zhì)量的白矮星，外殼的重力會進一步使恒星塌縮成中子星或者黑洞。這個過程中經(jīng)常伴隨著超新星爆發(fā)。
釋放能量會造成恒星逐步冷卻，表面溫度逐漸降低，恒星的顏色也會隨之變化。經(jīng)過數(shù)千億年之后，白矮星會冷卻到無法發(fā)光，成為黑矮星。但是目前普遍認為宇宙的年齡（150億年）不足以使任何白矮星演化到這一階段。
形成
白矮星是中低質(zhì)量的恒星的演化路線的終點。在紅巨星階段的末期，恒星的中心會因為溫度、壓力不足或者核聚變達到鐵階段而停止產(chǎn)生能量（產(chǎn)生比鐵還重的元素不能產(chǎn)生能量，而需要吸收能量）。恒星外殼的重力會壓縮恒星產(chǎn)生一個高密度的天體。
一個典型的穩(wěn)定獨立白矮星具有大約半個太陽質(zhì)量，比地球略大。這種密度僅次于中子星和夸克星。如果白矮星的質(zhì)量超過1.4倍太陽質(zhì)量，那么原子核之間的電荷斥力不足以對抗重力，電子會被壓入原子核而形成中子星。
大部分恒星的演化過程都包含白矮星階段。由于很多恒星會通過新星或者超新星爆發(fā)將外殼拋出，一些質(zhì)量略大的恒星也可能最終演化成白矮星。
雙星或者多星系統(tǒng)中，由于星際物質(zhì)的交換，恒星的演化過程可能與單獨的恒星不同，例如天狼星的伴星就是一顆年老的大約一個太陽質(zhì)量的白矮星，但是天狼星是一顆大約2.3個太陽質(zhì)量的主序星。
褐矮星
brown dwarf
褐矮星是構成類似恒星，但質(zhì)量不夠大，不足以在核心點燃聚變反應的氣態(tài)天體。其質(zhì)量在恒星與行星之間。
褐矮星是處于最小恒星與最大行星之間大小的天體，由于這一原因褐矮星非常暗淡，要發(fā)現(xiàn)它們十分復雜，因此要確定它們的大小就更加復雜。但是最近天文學家成功地發(fā)現(xiàn)了組成雙星系統(tǒng)的兩顆褐矮星，在確定它們圍繞共同重心運行的參數(shù)之后，計算出這兩顆褐矮星的重量和大小。
天文學家花了12年研究才發(fā)現(xiàn)這兩顆褐矮星，總共觀察了300多個夜晚和進行了1600次測量，結果計算出兩顆相當年輕褐矮星（還不滿100萬年）全部必需的參數(shù)，它們位于離開地球1500光年的獵戶星座。雙星系統(tǒng)中較大一顆褐矮星直徑超過木星50倍，而較小一顆褐矮星直徑比木星大30倍，也就是說，它們的直徑分別為太陽直徑的70%和50%。盡管它們初看起來不算矮小，但是它們的質(zhì)量分別僅為太陽質(zhì)量的5.5%和3.5%。
天文學家還意外發(fā)現(xiàn)較輕褐矮星表面的溫度更高些，雖然“普通”恒星的情形相反：恒星質(zhì)量越大，它就越熾熱。或許，引起這反常現(xiàn)象的原因在于某種物理作用過程，現(xiàn)代恒星結構理論沒有考慮到這種物理作用過程（比如恒星的強烈磁場）。此外，這兩顆褐矮星可能不是同時形成，也不是在同一地點形成，而是由于某種災變而結合在一起，因此它們的表面溫度不同，但是這一切暫時仍只是一種假設。
紅矮星
根據(jù)赫羅圖，紅矮星在眾多處于主序階段的恒星當中，其大小及溫度均相對較小和低，在光譜分類方面屬于K或M型。它們在恒星中的數(shù)量較多，大多數(shù)紅矮星的直徑及質(zhì)量均低于太陽的三分一，表面溫度也低于3,500 K。釋出的光也比太陽弱得多，有時更可低于太陽光度的萬分之一。又由于內(nèi)部的氫元素核聚變的速度緩慢，因此它們也擁有較長的壽命。紅矮星的內(nèi)部引力根本不足把氦元素聚合，也因此紅矮星不可能膨脹成紅巨星，而逐步收縮，直至氫氣耗盡。也因為一顆紅矮星的壽命可多達數(shù)百億年，比宇宙的年齡還長，因此現(xiàn)時并沒有任何垂死的紅矮星。
人們可憑著紅矮星的悠長壽命，來推測一個星團的大約年齡。因為同一個星團內(nèi)的恒星，其形成的時間均差不多，一個較年老的星團，脫離主序星階段的恒星較多，剩下的主序星之質(zhì)量也較低，惟人們找不到任何脫離主序星階段的紅矮星，間接證明了宇宙年齡的存在。
人們相信，宇宙眾多恒星中，紅矮星占了大多數(shù)，大約75%左右。例如離太陽最近的恒星，半人馬座的南門二比鄰星，便是一顆紅矮星，其光譜分類為M5，視星等11.0。