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Oct. 15 2025

潮汐力將白矮星加熱到意想不到的溫度

  • 6.9分鐘週期的雙白矮星系統J1539+5027藝術家想像圖。圖中顯示一對白矮星雙星,一顆受到潮汐加熱的白矮星(黃色),以及其更為緻密的伴星(藍色)。這兩顆恆星正處於即將開始質量傳輸(mass transfer)的階段。Credit: KyotoU / Lucy McNeill

    6.9分鐘週期的雙白矮星系統J1539+5027藝術家想像圖。圖中顯示一對白矮星雙星,一顆受到潮汐加熱的白矮星(黃色),以及其更為緻密的伴星(藍色)。這兩顆恆星正處於即將開始質量傳輸(mass transfer)的階段。Credit: KyotoU / Lucy McNeill

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白矮星是恆星停止核融合後留下的緻密殘骸,這些極度緻密的天體屬於簡併星(degenerate stars),其結構特性極度違反直覺:質量越大,體積反而越小。白矮星常以雙星系統的形式存在,這類系統中的大多數白矮星年齡極為古老,它們的表面溫度通常已冷卻至約4000 K。然而,近期研究發現有一類週期極短的白矮星雙星系統,其中兩顆天體繞行週期不到一小時。與理論預測相反,這些白矮星表面溫度高達10000至30000 K,半徑膨脹至理論值的兩倍大小。

這一現象促使由京都大學領導的研究團隊重新檢驗潮汐理論,並嘗試利用該理論預測白矮星在短週期雙星軌道中不尋常的溫度,研究成果發表於《天體物理學期刊》(The Astrophysical Journal)。潮汐力常導致雙星系統中的天體變形,並影響它們的軌道演化。潮汐加熱理論在解釋熱木星與母恆星的溫度及軌道特性上已經取得了成功,因此,研究團隊想知道:潮汐加熱是否能解釋短週期雙星中白矮星的高溫現象?

研究團隊建立了一套理論模型,用來解釋短週期雙星系統中白矮星的溫度演化。該框架具有高度普適性,可以預測雙星系統中白矮星過去與未來的溫度變變以及軌道演化歷程。

研究結果顯示,潮汐力能強烈影響這類白矮星的演化。具體而言,系統中較小白矮星的潮汐拉力會對其質量較大但密度較低的伴星內部加熱,使後者膨脹,表面溫度升高至至少10,000 K。由於這種膨脹效應,團隊預測白矮星在開始相互作用(質量傳輸)之前,其半徑通常應為理論預測的兩倍,短週期白矮星雙星開始交互作用的軌道周期可能比先前預期的長三倍,代表更早發生交互作用。另一項令人意外的發現是,團隊在理論模型的結果中觀察到即使是最古老、最冷的白矮星系統在達到洛希瓣(Roche lobe)的臨界發生接觸時,其軌道週期也比理論預測縮短得更多,也導致更明顯的重力波訊號變化。由於這些系統的重力波頻率因此更低(約2 mHz),這代表它們可能成為LISA等低頻率重力波探測器的理想目標。

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潮汐加熱確實提升了白矮星溫度,也極大地改變了系統的軌道動力學,使得最老的白矮星雙星在進入質量傳輸階段時,其軌道週期顯著縮短,遠低於既有理論的預期值。這不僅挑戰了以往假設白矮星在接觸時已完全簡併且冷卻的理論,也重新定義了短週期白矮星雙星的演化時序與可觀測性。未來,團隊計畫將此理論框架應用於碳氧白矮星的雙星系統,以期更深入了解Ia型爆炸的前身。研究團隊將特別關注在雙簡併系統(double-degenerate)或合併情境下,實際溫度條件是否支持該類型爆炸機制。

 

資料來源:Phys.org

原始論文(開放取用):Lucy O. McNeill et al, Tidal Heating in Detached Double White Dwarf Binaries, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/ae045f

本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。

 

 

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