脉动白矮星小考
国庆假期当中，mizar发过来一篇论文的草稿求修改。这篇文章的内容针是对一颗脉动白矮星进行的星震学分析，虽说本人要关心的只是其中语言部分的行文调整，但接过这么一项任务，对研究背景一无所知也多少有些说不过去，所以就查阅了一些相关资料，也算是籍此学习新知了。
顾名思义，脉动白矮星是一类星体存在收缩和膨胀，从而导致光度时刻变化的白矮星。在恒星天文学中，脉动星并不是新鲜事物，大名鼎鼎的标准烛光——造父变星以及名气略逊的天琴RR变星均属此类。驱动恒星脉动的原因大抵是带有反馈机制的压力与重力的不平衡。以造父变星为例，这类恒星位于赫罗图从右上斜切到左下方的不稳定带上，大气中含有二次电离的氦原子以及负氢离子，导致其不透明度随温度升高而增大，与普通恒星温度升高则大气更加透明的趋势恰好相反。所以当造父变星的大气略有收缩后，大气升温，密度增大，且变得更加不透明，让星体内部核聚变产生的能量更难释放出来，导致由内向外的压力增强，最终在达到极限之后恒星向外膨胀。而当大气膨胀到一定程度之后，温度和密度都有所下降，气体不透明度不升反降，这样内部产出的能量释放得更快，压力被向内的重力盖过，星体收缩。这样的过程往复发生，构成了稳定的周期性光变。有趣的是，与直觉相悖，造父变星亮度最大的时候星体半径反而最小，原因是此时恒星表面的温度最高。
不过经典造父变星的脉动是各向同性的径向形式，脉动白矮星一般来说却是非径向脉动，也就是说星体某一部分向外膨胀时，另外的部分却可能向内收缩。驱动白矮星脉动的力量是重力波（不要与引力波混淆），也就是在受到扰动后的流体内部或界面上，重力和浮力在恢复平衡过程中产生的波纹，日常生活中最为人熟知的一种形式可能就是波浪。这一点在早期给人带来了不少困惑。这是因为脉动白矮星的理论研究早于实际发现，早在1949年就有人计算过低温非相对论性白矮星可能的脉动周期了，随后理论模型变得愈加复杂，但万变不离径向振动的假设，由此给出的预期振动周期只是在10秒以内，与声波穿越星体的时标（或是自由下落时标）相当。
1969年2月测得的金牛76 HL光变曲线，图中的每个数据点都是10秒钟观测的平均值。（图片来源：Warner & Nather 1970）
所以20世纪60年代末，当脉动白矮星在真正被发现后，天文学家反而不能理解眼前所见。事情要追溯到1964年美国天文学家Arlo Landolt进行的测光标准星普查。他注意到了金牛76 HL短时标的不规则光变，要是换作他人的话，这样的光变很可能会被视作正常的观测误差而无视。但Landolt在后来的3年中又对这颗恒星进行了多次细致的观测，发现了隐藏在无序中的一个周期——12.5分钟。如果说这是白矮星径向振动的时标，比起区区数秒的理论估计值，它未免长得过分；而虽然这个数字与一些存在光变的白矮星光变周期相符，但金牛76 HL又不像当时已知的白矮星变星那样处在双星系统之中。研究者后来才意识到，这个周期源自白矮星星体脉动不假，但脉动是非径向的，虽说激发重力波的原因可能同大气中的部分电离有关，但一般是局域化的过程，与造父变星有所区别，这样就可以得到恰到好处的周期了。
最早发现的一批脉动白矮星的光谱都是DA型，只存在氢元素的吸收线；后来又陆续发现了只存在氦线的DB型与存在碳线的DQ型白矮星均可能出现脉动，它们分称DAV、DBV、DQV型脉动白矮星，其中前两者又以原型星命名为鲸鱼ZZ型和武仙V 777型，DAV型又具有新发现的低质量子型ELMV型。此外大气中富含碳、氦和氧元素，但尚未完成朝向白矮星的最终演化的室女GW型星也自成一类，其中又可以细分为DOV型与PNNV型两个子类，后者周围还环绕着行星状星云。不过需要说明的是，所有这些类型的成员星都属于正常白矮星，除了脉动，其他特性与非脉动的同类别无二致。
第一颗富含碳元素的DQV型脉动白矮星候选体SDSS J142625.71+575218.3。（图片提供：Sloan Digital Sky Survey Collaboration）
这其中最经典数量也是最多的DAV型星正好处在不稳定带与白矮星的交点所在，是所有类型的脉动白矮星中表面温度最低的，只有一万开尔文出头；其脉动周期介于30秒到20多分钟不等。DBV紧随其后，表面温度20000开尔文有余，周期从两分多钟到十余分钟。DQV型属于新发现，这次查到的数个样本周期介于数百秒到上千秒不等，而表面温度介于DAV和DBV型之间。最后一类室女GW型星的温度最高，可以达到17万开尔文，最低也有7万多开尔文，它们由于尚处演化过程当中而脉动周期存在缓变。
各类脉动白矮星在赫罗图上的位置，其中DAV型所处的区域正好位于不稳定带与白矮星的交点所在。（图片来源：Winget & Kepler 2008）
考察脉动白矮星的重要手段是以测光为基础的星震学。大致说来，这个过程是通过对白矮星光变曲线进行傅里叶变换寻找周期性成分，将各个震动模式分解开来。而如果假设理想状态下的星体呈球对称形式，根据基本流体方程可以导出其受不同原因引发的震动的数学表达，这样根据观测数据中各个模式的振幅、周期和变化情况就可以还原出相应的的物理量。典型的脉动白矮星都存在多种模式的叠加，所以整体光变幅度不是很明显，往往只有百分之几，解析它们就需要测光精度作为保证。
星震学带来的直接推断是星体的内部构造，原理上类似于借助地震波探究地球内部。如半人马座的大质量DAV型星BPM 37093富含碳元素而内部大半结晶，因此被人戏称为“钻石星球”，它的证认就是星震观测的最著名成果之一。结晶的内部会导致脉动无法达到星球中心，而只是止于浅表，这会在光变曲线中反映出来。
碳晶星球BPM 37093的光变曲线傅里叶变换图。（图片提供：University of Delaware Dept. of Physics & Astronomy）
甚至可能环绕白矮星运行的行星、轴子等暗物质粒子，还有星体内部的对流都可以经由星震学揭示出来，所以可以认为脉动白矮星为人们开启了一扇认识致密天体以至基本物理原理的窗口。至于mizar的那项工作，嗯，只能说如果能被证实，也是挺有意思的东西，不过因为该论文尚未发表，在这里还是不去介绍细节了吧……
参考资料：
[1] 关于脉动白矮星的综述：Winget, D. E., & Kepler, S. O. 2008, Annual Review. Astronomy & Astrophysics, 46, 157
[2] 更老的一篇综述：The Pulsating White Dwarfs by Edward L. Robinson
[3] DQV型星的发现：Montgomery, M. H., et al. 2008, The Astrophysical Journal, 678, L51
[4] BPM 37093的发现：Kanaan, A., et al. 2005, Astronomy & Astrophysics, 432, 219
