白矮星的质量上限(钱德拉塞卡极限)

文摘   2024-05-29 22:57   北京  

Sirius A和B的艺术图,图片来源于哈勃官网

考虑一个白矮星,白矮星是在电子简并压的作用下与引力平衡的,统计物理可以给出电子简并压的表达式(考虑相对论性电子)

其中Z为组成白矮星的元素的核电荷数,A为元素的质量数,ρ为白矮星的质量密度,m_H为质子的质量。而相对论性电子气体的压强p和内能U满足关系式

所以白矮星的总能量为

右边的一项代表白矮星的引力势能,当总能量为0时白矮星达到平衡(可以这样理解,第一项正比于质量M的4/3次方,第二项正比于M的平方,当质量变大一点,第二项引力部分占主导,总能量小于零,此时星体在与引力作用下收缩,如果质量变小一点,第一项占主导,总能量大于零,简并压占主导,星体在简并压作用下膨胀)。

由上式等于零,可以给出

这样的简单计算肯定不是最准确的结果,我们可以将电子简并压代入星体的结构方程,数值法解微分方程得到质量上限为(见《天体物理学》,李宗伟、肖兴华P224-P228)

假设有一颗氦白矮星,那么核电荷数为2,质量数为4,所以对应的钱德拉塞卡极限为1.457个太阳质量。

本文完。

地球远征军
普通一本毕业的物理大学生,在普通一本继续读物理研究生,当个普通人的同时多多思考宇宙。记录学习物理之路上的有趣见闻,一起保持住刚学习物理时的惊喜感和好奇心,希望有生之年看到人类遨游宇宙,走向星空。
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