縮退物質と白色矮星

白色矮星は、低質量または中間質量星が残した、冷却中の地球サイズの中心核であり、熱ではなく高密度に詰まった電子の量子圧力によって支えられています。

Definition

縮退物質とは、量子排他原理によって利用可能な低エネルギー状態が満たされ、温度にほとんど依存しない圧力を提供するほど圧縮された物質であり、白色矮星は、その電子の縮退圧によって支えられるコンパクトな恒星残骸です。

Scope

このトピックでは、電子縮退物質の物理学、電子縮退圧によって支えられる白色矮星の構造、質量と半径の逆相関関係およびチャンドラセカール限界質量、白色矮星の緩やかな冷却とその時計としての利用、そしてその組成と結晶化について扱います。

Core questions

• 白色矮星はもはや燃料を燃焼しないのに、何がそれを支えているのでしょうか？
• なぜより質量の大きい白色矮星ほど半径が小さいのでしょうか？
• 白色矮星の最大質量はどれくらいですか？
• 白色矮星はどのように冷却し、それがどのように年代測定に利用できるのでしょうか？

Key concepts

• 電子縮退
• パウリの排他原理
• 質量-半径関係
• チャンドラセカール限界
• 白色矮星の冷却
• 炭素-酸素核
• 結晶化

Key theories

電子縮退圧

白色矮星の密度では、電子は縮退状態に押し込められ、パウリの排他原理が密度に依存するが温度にはほとんど依存しない圧力を供給し、冷たい残骸が重力に無期限に抵抗することを可能にします。

チャンドラセカール質量限界

白色矮星は質量が増加すると収縮し、電子が相対論的になると圧力が重力に追いつかなくなります。約1.4太陽質量というチャンドラセカール限界を超えると、安定した白色矮星は存在せず、この結果はIa型超新星の中心的な要素です。

Mechanisms

低質量または中間質量星が外層を放出した後、その高温の炭素-酸素核は白色矮星として残り、そこでは高密度に詰まった電子が縮退圧を提供し、熱源なしに重力と釣り合っています。核融合がないため、残骸は蓄えられた熱エネルギーを放射して数十億年かけて冷却し、最終的には結晶化すると考えられています。

Clinical relevance

白色矮星は最も一般的な恒星残骸であり、重要な宇宙の時計です。その冷却年齢は恒星集団の年代を決定し、チャンドラセカール限界は宇宙論における標準光源として使用されるIa型超新星を支配し、その物理学は量子縮退が星を支えるという最初の証拠を提供しました。

History

ファウラーは1926年に新しい量子統計を白色矮星に応用し、チャンドラセカールはエディントンの抵抗にもかかわらず1931年に限界質量を導き出し、メステルは1950年代に白色矮星の冷却理論を発展させ、それが宇宙の年代測定器としての利用の基礎となっています。

Key figures

• Subrahmanyan Chandrasekhar
• Ralph Fowler
• Arthur Eddington
• Leon Mestel

Seminal works

• chandrasekhar1931
• shapiro1983

Frequently asked questions

白色矮星は燃料を燃焼していないのに、なぜ崩壊しないのですか？

その支持は電子縮退圧という量子効果によるもので、熱を必要としません。白色矮星がゼロ温度に冷却されても、この圧力は持続し、重力に抗してそれを支え続けます。

白色矮星に最大質量があるのはなぜですか？

質量が増加すると、白色矮星はより高密度で小さくなり、電子は光速に近い速度で運動することを余儀なくされます。相対論的電子は、与えられた圧縮に対してより少ない圧力を提供するため、約1.4太陽質量を超えると重力が支持力を圧倒し、星は安定した白色矮星として存在し続けることができません。