สสารดีเจนเนอเรตและดาวแคระขาว

ดาวแคระขาวคือแกนกลางขนาดเท่าโลกที่เย็นตัวลง ซึ่งเป็นซากที่เหลือจากดาวฤกษ์มวลน้อยถึงปานกลาง โดยคงสภาพอยู่ได้ด้วยแรงดันควอนตัมของอิเล็กตรอนที่อัดแน่น ไม่ใช่ความร้อน

Definition

สสารดีเจนเนอเรตคือสสารที่ถูกบีบอัดจนแรงผลักควอนตัมเติมเต็มสถานะพลังงานต่ำที่มีอยู่ และให้แรงดันที่ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิเกือบทั้งหมด และดาวแคระขาวคือซากดาวฤกษ์ขนาดกะทัดรัดที่ค้ำจุนด้วยความดันดีเจนเนอเรซีของอิเล็กตรอน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมฟิสิกส์ของสสารอิเล็กตรอนดีเจนเนอเรต โครงสร้างของดาวแคระขาวที่ค้ำจุนด้วยความดันดีเจนเนอเรซีของอิเล็กตรอน ความสัมพันธ์ผกผันระหว่างมวลกับรัศมีและขีดจำกัดมวลจันทรเศขร การเย็นตัวอย่างช้าๆ ของดาวแคระขาวและการนำไปใช้เป็นนาฬิกา รวมถึงองค์ประกอบและการตกผลึกของดาวแคระขาว

Core questions

• อะไรที่ค้ำจุนดาวแคระขาวได้ หากมันไม่เผาผลาญเชื้อเพลิงอีกต่อไป?
• ทำไมดาวแคระขาวที่มีมวลมากจึงมีรัศมีเล็กลง?
• มวลสูงสุดของดาวแคระขาวคือเท่าใด?
• ดาวแคระขาวเย็นตัวลงอย่างไร และสามารถใช้สิ่งนี้ในการกำหนดอายุได้อย่างไร?

Key concepts

• การดีเจนเนอเรซีของอิเล็กตรอน
• หลักการกีดกันของเพาลี
• ความสัมพันธ์มวล-รัศมี
• ขีดจำกัดจันทรเศขร
• การเย็นตัวของดาวแคระขาว
• แกนคาร์บอน-ออกซิเจน
• การตกผลึก

Key theories

ความดันดีเจนเนอเรซีของอิเล็กตรอน

ที่ความหนาแน่นของดาวแคระขาว อิเล็กตรอนถูกบังคับให้อยู่ในสถานะดีเจนเนอเรต ซึ่งหลักการกีดกันของเพาลีจะให้ความดันที่ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นแต่แทบไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ทำให้ซากดาวที่เย็นจัดสามารถต้านทานแรงโน้มถ่วงได้อย่างไม่มีกำหนด

ขีดจำกัดมวลจันทรเศขร

เมื่อดาวแคระขาวมีมวลเพิ่มขึ้น มันจะหดตัวลง และเมื่ออิเล็กตรอนกลายเป็นสัมพัทธภาพ ความดันจะไม่สามารถตามทันแรงโน้มถ่วงได้อีกต่อไป; เหนือขีดจำกัดจันทรเศขรที่ประมาณ 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ จะไม่มีดาวแคระขาวที่เสถียรอยู่ได้ ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่สำคัญต่อซูเปอร์โนวาประเภท Ia

Mechanisms

เมื่อดาวฤกษ์มวลน้อยถึงปานกลางสลัดชั้นนอกออกไป แกนกลางคาร์บอน-ออกซิเจนที่ร้อนจัดจะยังคงอยู่เป็นดาวแคระขาว ซึ่งอิเล็กตรอนที่อัดแน่นจะให้ความดันดีเจนเนอเรซีที่สมดุลกับแรงโน้มถ่วงโดยไม่มีแหล่งความร้อนใดๆ เมื่อไม่มีการหลอมรวม ซากดาวจะเพียงแค่แผ่พลังงานความร้อนที่สะสมไว้ออกไปและเย็นตัวลงเป็นเวลาหลายพันล้านปี จนในที่สุดก็ตกผลึก

Clinical relevance

ดาวแคระขาวเป็นซากดาวฤกษ์ที่พบได้บ่อยที่สุดและเป็นนาฬิกาจักรวาลที่สำคัญ: อายุการเย็นตัวของพวกมันใช้ในการกำหนดอายุของประชากรดาวฤกษ์ ขีดจำกัดจันทรเศขรควบคุมซูเปอร์โนวาประเภท Ia ที่ใช้เป็นเทียนมาตรฐานสำหรับการศึกษาจักรวาลวิทยา และฟิสิกส์ของพวกมันได้ให้หลักฐานแรกว่าการดีเจนเนอเรซีควอนตัมค้ำจุนดาวฤกษ์ได้

History

ฟาวเลอร์ได้นำสถิติควอนตัมใหม่มาประยุกต์ใช้กับดาวแคระขาวในปี 1926 จันทรเศขรได้คำนวณขีดจำกัดมวลในปี 1931 แม้จะมีการต่อต้านจากเอ็ดดิงตัน และเมสเทลได้พัฒนาทฤษฎีการเย็นตัวของดาวแคระขาวในทศวรรษ 1950 ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการนำไปใช้เป็นนาฬิกาจักรวาล

Key figures

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

Seminal works

• chandrasekhar1931
• shapiro1983

Frequently asked questions

ทำไมดาวแคระขาวจึงไม่ยุบตัวลงแม้ว่าจะไม่ได้เผาผลาญเชื้อเพลิงแล้ว?

การค้ำจุนของมันมาจากความดันดีเจนเนอเรซีของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นผลกระทบทางควอนตัมที่ไม่ต้องการความร้อน; แม้ว่าดาวแคระขาวจะเย็นตัวลงจนเกือบถึงศูนย์องศา ความดันนี้ก็ยังคงอยู่และยังคงค้ำจุนมันไว้ไม่ให้ยุบตัวจากแรงโน้มถ่วง

ทำไมจึงมีมวลสูงสุดสำหรับดาวแคระขาว?

การเพิ่มมวลทำให้ดาวแคระขาวมีความหนาแน่นมากขึ้นและมีขนาดเล็กลง บังคับให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ใกล้ความเร็วแสง; อิเล็กตรอนสัมพัทธภาพให้ความดันน้อยลงสำหรับการบีบอัดที่กำหนด ดังนั้นเมื่อเกินประมาณ 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ แรงโน้มถ่วงจะเอาชนะการค้ำจุนและดาวฤกษ์จะไม่สามารถคงสภาพเป็นดาวแคระขาวที่เสถียรได้