簡介：在銀河系中距離我們不遠有一顆死星的遺?。℅ 117-B15A）。它每隔215.19738823秒（超過三分半鐘）就以很小的幅度脈動。自1974年以來，天文學(xué)家就對這些脈沖進行了測量，他們觀察到這一周期非常的穩(wěn)定。如果將這些脈動用作時鐘，則每620萬年僅損失一秒鐘。

圖解：離我們最近的白矮星是天狼星B，其質(zhì)量與太陽相當(dāng)，但體積僅與地球相當(dāng)。要知道，太陽直徑可比地球大一百多倍。圖源：原文。

在離我們187光年的地方——在銀河系的尺度下并不算很遠——有一顆基本已經(jīng)停止活動的恒星。它曾經(jīng)也跟太陽一樣，甚至可能曾有將近六倍于太陽的質(zhì)量，但是在四億年前它還是走完了作為主序星的階段。它先膨脹成了一顆紅巨星，繼而拋射出了它的外層物質(zhì)。最終，它失去了太多物質(zhì)而將自己又熱又致密的核心部分暴露在外。

這類天體被叫做白矮星（white dwarf）。宇宙中約90%的恒星最終都將演化成為白矮星。但是，這個被稱為G 117-B15A的白矮星是很特殊的一顆，它可能是人類所觀測到的最穩(wěn)定的光學(xué)鐘。它的亮度信號存在規(guī)律的脈沖，其光度每215.19738823秒（比三分半稍微久一點點）就輕微地改變一次。天文學(xué)家們自1974年就開始觀測這些脈沖，發(fā)現(xiàn)脈沖周期有非常微小的延長。這個延長有多小呢？如果你用這些脈沖信號來計時，那么每620萬年它只會產(chǎn)生一秒的誤差。

圖解：天狼星系統(tǒng)的哈勃圖像：天狼星A（中心）及其白矮星伴星B（左下方）；A比B亮大約10000倍。這是距離太陽最近的雙星系統(tǒng)之一。圖源：原文。

這個鐘走得相當(dāng)準(zhǔn)，是個好鐘無疑了。

從某種角度上說，白矮星是個簡明的系統(tǒng)，它們不會自己產(chǎn)生能量，只是呆在宇宙中隨時間流逝而緩慢冷卻。不過從另一種角度上說，白矮星也是相當(dāng)復(fù)雜的天體，因為它們的密度太大了——每立方厘米的質(zhì)量可有一噸甚至更多——以至于量子力學(xué)原理在它們的結(jié)構(gòu)中起主要的作用。

白矮星中有一類被稱為DA型白矮星，它們的大氣成分主要是氫氣。如果它們的表面溫度恰好在12000攝氏度左右，那么它們的亮度會有較嚴格的周期性變化。盡管變化的幅度很小，約莫只有千分之一于總亮度，但是對于本身就比較亮的白矮星（一般是那些碰巧比較近的白矮星，要知道白矮星本質(zhì)上不會特別明亮所以我們只能很好地觀測那些靠得比較近的）來說，這已經(jīng)足以去觀測了。這類白矮星被叫做DAV型白矮星（V表示其為變星）。

DAV型白矮星亮度的周期性變化和它們大氣中的氫元素脫不了干系。在那樣的表面溫度下，這些氫原子因為容易被電離而顯得不穩(wěn)定——換句話說，這些氫原子很容易失去它們的核外電子。特別地，當(dāng)某些機械波在白矮星外層傳播并導(dǎo)致星體表面輕微振動的時候，氫原子的電離更容易發(fā)生。

機械波在白矮星表層中的傳播好比波紋在池塘水中的傳播，只需要你往里面扔塊石頭，呃，可能扔一小塊鵝卵石就夠了——它不是效果很夸張的波。這種水波被稱為重力波（gravity wave），因為當(dāng)水面在石頭的作用下往下移動了一段距離后，它會受重力的作用而被拉回。水面會接著向上移動一點，但再一次會因重力作用而被拉回，如此循環(huán)下去。

圖解：云內(nèi)產(chǎn)生的重力波，2016年1月攝于博爾德縣。相機朝南，云波的線條沿東西方向延伸。圖源：syfy。

在白矮星上，類似地，機械波能在星體表面?zhèn)鞑ザa(chǎn)生作用，并導(dǎo)致其亮度的微小改變：星體的亮度會略微變大，接著變小，此后再一次變大，循環(huán)。對白矮星G 117-B15A來說，這個循環(huán)的周期是215.19738823秒。

圖解：天狼星B與地球大小對比圖。圖源：原文。

天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這個周期的長度正在發(fā)生變化，平均每秒增大約秒（或者說其變化率為5飛秒每秒）。這個數(shù)量小得超乎尋常。為了直觀起見，我們換用年來做單位：每過620萬年，這個周期會拉長一秒。

換而言之，如果你在公元6202021年再次觀測這顆恒星，你會看到它的周期是216.19738823秒。我希望你有這個耐心，畢竟這個結(jié)果可能并不令人興奮。

天文學(xué)家們調(diào)查過很多可能引起這個周期變化的因素，包括磁場，包括對該白矮星有影響的一顆伴星（在距該星很遠的軌道上確實有一顆像暗燈泡一樣的紅矮星），還包括其他眾多因素，最后發(fā)現(xiàn)其根本因素就只是白矮星本身大氣中的氫。

這個結(jié)果很漂亮。實際上太空中的高精度“時鐘”很多，比如一些毫秒脈沖星。毫秒脈沖星甚至有著比白矮星更大的密度，它們瘋狂自轉(zhuǎn)，可以在一秒鐘自轉(zhuǎn)幾百次，且它們的自轉(zhuǎn)相當(dāng)穩(wěn)定：其自轉(zhuǎn)周期每過十億年才會有顯著的變化。不過呢，它們更容易出現(xiàn)自轉(zhuǎn)突變（glitch）的情況，就是說自轉(zhuǎn)速度容易發(fā)生突然改變，這往往是恒星內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)的變化（例如殼層移動導(dǎo)致力學(xué)平衡破壞）造成的。所以，總得來說這些“時鐘”的準(zhǔn)度反而不及G 117-B15A。

圖解：F-1原子鐘，位于美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所，科羅拉多博爾德。該原子鐘每走一億年產(chǎn)生的誤差不超過一秒。圖源：原文。

還有一些原子鐘，它們振蕩周期的變化速率比我們的白矮星鐘也要低，但是它們振蕩得太快了，以至于當(dāng)我們用周期變化率除以周期長度算出來的數(shù)值去表征鐘的穩(wěn)定性的時候（實際上這也是一種標(biāo)準(zhǔn)方法去表征鐘表的穩(wěn)定性），它們的穩(wěn)定性還不如白矮星鐘。舉個例子，有一種原子鐘的振蕩周期是2.5飛秒（即秒），相比于白矮星的光變周期215秒來說，它振蕩得難以置信地快。正因為它振蕩周期如此之短，它才顯得不穩(wěn)定——每過大約20分鐘，它的振蕩周期就會翻倍，而對于白矮星來說，需要經(jīng)過超過十億年的時間才能讓它的光變周期翻倍至430秒。

我知道這可能有點難以理解，但總之我想表達的意思是：這顆白矮星的明暗變化（我們可以用眼睛看到的那種）的等時性總體比任何其他人類已知的光學(xué)鐘都要好。

這是很重要的，因為這能讓天文學(xué)家更好地了解恒星的內(nèi)部情況，比如可以了解白矮星內(nèi)部的冷卻速度有多快。由于白矮星不會自己產(chǎn)生熱量，所以我們可以利用冷卻速度去計算白矮星的年齡：其自聚變活動停止以來已經(jīng)過去了多久。這個結(jié)果可以進一步幫助我們更多地了解恒星成為白矮星并逐漸停止活動的過程，以及某顆白矮星曾經(jīng)是什么類型的恒星等等。

我們的太陽也終有一天會變成白矮星，大約在70或80億年后就會，并且此后將一直是白矮星。那么太陽停止活動的過程是怎么樣的？這將對整個太陽系產(chǎn)生什么樣的影響？這都是些有趣的問題，并且都和目前的研究緊密相關(guān)。

圖解：太陽系行星。圖中星體的大小比例是正確的，但是距離比例不正確。圖源：syfy。

另外，這顆白矮星本身就很帥。它有著0.6倍于太陽的質(zhì)量，但卻被擠得和地球差不多大；它像鐘一樣定時“響起”且擁有相當(dāng)穩(wěn)定的周期，以至于你可以依照它來對表……而且在將來很長、很長一段時間內(nèi)都可以十分放心地拿它來對表。

BY: Phil Plait

FY: 浪漫主義學(xué)派

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