【恒星也有“冻龄”奥秘?[思考]】宇宙中绝大部分恒星最终会演化成白矮星,进入衰老期。此前的研究认为,白矮星都会以相同的速度冷却寂灭。

近期,由意大利博洛尼亚大学(UNIBO)和意大利国立天体物理研究所(INAF)主导的一项研究发现,存在一类新的白矮星,其衰老过程较恒星标准演化模型更为缓慢。相关研究成果https://t.cn/A6IrpVO3月6日发表于《自然·天文学》。

恒星延缓衰老的秘诀

恒星演化理论表明,不是所有类型的恒星都以同样的方式衰老死亡。对于质量大于10倍太阳质量的恒星,一般形成超新星爆发而结束一生。但宇宙中的绝大多数恒星(约98%)最终会演化成为白矮星,然后逐渐冷却变暗,继而衰老死亡。因此,作为最终产物的白矮星也意味着“年老的恒星”。

什么是白矮星?在恒星演化的最后阶段,外层物质迅速抛射,最后只留下曾经的“星核”,即白矮星,之后随着时间推移逐渐冷却寂灭。

“因为白矮星极为致密,无法通过引力收缩或核反应再产生能量,所以一般认为白矮星都会以相同的速度冷却。”论文第一作者、意大利博洛尼亚大学和意大利国立天体物理研究所博士研究生陈剑星告诉《中国科学报》,“我们的研究发现并不是所有的白矮星都以同样的方式冷却结束,存在一类比正常情况冷却更慢的白矮星。”

为什么这类白矮星的冷却更慢?论文通讯作者、意大利博洛尼亚大学和意大利国立天体物理研究所教授Francesco Ferraro解释道:“这类白矮星依然存在残留的氢壳层,壳层的质量虽然很薄,大约为太阳质量的1/10000,但已经足够维持其表面的稳定核反应,从而确保其有足够的能量以延缓冷却的进程。”

“双胞胎星团”冷却差异

Francesco Ferraro带领国际团队开展的研究基于对两个大型恒星集团的观测:球状星团M3与M13。球状星团M3与M13在很多物理特性方面都极为相似,例如总质量,年龄和金属丰度等。所以这两个星团有时也被称作“双胞胎星团”。

图:哈勃太空望远镜所拍摄的M3星团(左)和M13星团(右)

研究团队利用哈勃太空望远镜(HST)的深空数据,对这两个极为相似的恒星系统进行比较研究时发现,虽然M3与M13很多地方相似,但在恒星演化接近晚期的阶段却存在较为显著的区别,这也为研究作为晚期阶段的白矮星存在不同的冷却过程提供了理想的研究样本。

论文作者之一、意大利国立天体物理研究所博士Mario Cadelano说:“哈勃太空望远镜对这两个球状星团提供了极佳的观测数据,无论是数据质量还是对星团中心较为完整的覆盖范围,让我们可以对M3和M13在恒星演化方面进行精确地比较。”

在对两个球状星团进行比较研究的过程中,研究团队惊讶地发现,在相同星等范围区间内,M13的白矮星的数量要明显地多于M3(M13中包含超过460颗白矮星,而M3中只有326颗)。更令人意外的是,M13所包含的总体恒星的数量却比M3要少一些。也就是说M13和M3中的白矮星冷却特征存在明显不同:M13的白矮星相较于M3而言,冷却速率更慢。

论文作者之一、阿根廷拉普拉塔国立大学教授Leandro Althaus参与构建了缓慢冷却的白矮星模型,他解释道:“氢壳层燃烧所提供的能源的确延缓了白矮星的冷却过程,并产生了一类‘缓慢冷却白矮星’,其外表和普通白矮星极为相似,但冷却时间却显著不同。”

由于两类白矮星存在不同的物理机制,从而导致在观测上产生了不同的表观特征,但也引出了一个新的问题:为什么M13存在这类机制,M3却不存在呢?是什么导致了白矮星核心外围存在不同程度的残余氢包层呢?

在演化阶段寻找答案

“所有的答案都可以在白矮星之前的演化阶段去寻找。”陈剑星说。

白矮星通常被认为已经结束了核反应,只存在纯粹的冷却过程,随着时间推移逐渐变冷变暗。但陈剑星等人的研究表明,纯冷却过程并不适用于所有的白矮星,而需要取决于其过去所经历的演化阶段,一些白矮星可能依然存在其他的能量来源从而维持比普通白矮星更长的冷却时间。

陈剑星打了一个比方:“如果把白矮星比作老年人,那么其前身星所经历的演化阶段就像一个人所经历的一生,有些人遇到一些“重大的打击”耗尽所有的精力衰老后,容易迅速衰老,无法再焕发出年轻时的活力;有些人却能很幸运地避免经历类似的“重大打击”,在他们退休安度晚年之时依然能够精神焕发。”

对于恒星来说,可以称得上“重大打击”的演化过程则是“第三次疏浚”,这是发生在即将进入白矮星演化阶段时所经历的一类元素混合过程。此时恒星壳层的绝大多数氢由于疏浚几乎燃烧殆尽,无法再在白矮星阶段提供新的能量。但是,有一些更小质量的恒星可以跳过“疏浚”阶段,直接演化成白矮星,而此时就能保存更多的壳层氢。

由于M13中大部分恒星的质量相对低一些,从而能够跳过“疏浚”阶段而保留有足够产生核反应的氢壳层。“通过将慢冷却白矮星模型与恒星演化的标准模型相结合,我们可以精确再现球状星团M3和M13中出现的特征。因此,这一发现为我们探究低质量恒星的最终演化阶段,尤其是探究演化末期展现出的不同特征之间的关联提供了很好的机会。”论文作者之一、利物浦约翰摩尔斯大学教授Maurizio Salaris说。

这项研究结果也将对天文学家测量银河系恒星的年龄方面产生直接的影响。在此之前,白矮星演化模型是可预测的冷却过程,其冷却的温度与恒星年龄之间有一定的关联。所以白矮星的冷却速率也被当作宇宙时钟,从而可以确定所在星团的年龄。如果白矮星壳层存在氢燃烧,那么根据之前的方法确定的恒星年龄不确定度可达10亿年。

Francesco Ferraro最后总结说:“我们此次的发现改变了目前普遍对白矮星的定义,并且打开了对恒星演化衰亡过程新的认知,为进一步探索维持氢壳层从而减缓白矮星冷却的机制。我们正对其他类似M13的球状星团进行新的研究。”https://t.cn/A6IrpVOR

【新闻分析】日本正有意改良“12式地对舰导弹” : 韩民族日报
https://t.cn/A6ImMpEr
8月31日,韩日两国发表了明年的国防预算(日本称防卫预算)。虽然在国会通过过程中多少会有一些变动,但韩国明年的国防预算将比今年增加4.5%,达到55.2277万亿韩元,日本预算将增加2.6%,达到5.4797万亿日元。

对此,日本有评价称,韩日国防预算现在已经达到了“相似的水平”。实际上,《日本经济新闻》在9月1日的报道中做出了以实际购买力为准,2018年韩国的国防预算已经超过日本的评价。考虑到两国的经济规模差距还有2.5倍左右,日本的人均国防预算应相当于韩国的2.5倍左右。

实际上,文在寅政府上台后,韩国的国防预算不断大幅上升。从他上任第二年2018年开始,每年平均增长6%,到2022年国防预算共增长37%。虽然比卢武铉政府时期(53%)低,但高于之前的两个保守政府李明博政府(29%)和朴槿惠政府(17%)。

在韩国建立进步政府时,国防预算增加的“悖论”可以解释为几个原因。其中最具说服力的解释是,进步政府上台后,强调“战时作战指挥权权转换”等自主国防的重要性,国防预算自然就会增加。实际上,卢武铉政府和文在寅政府积极尝试收回战时作战指挥权,在国防开支上投入了大量资金,保守政府李明博政府和朴槿惠政府却把已经确定的战时作战指挥权移交日程向后推迟,表现出了依赖美国的姿态。

在此,介绍一下明年日本防卫预算中最引人注目的一个部分。每年8月末,日本防卫省都会编制一份名为《日本防卫和预算》报告,介绍下一年的防卫预算细节。今年的报告共56页,于8月31日公开。在这份报告中,最值得关注的是“提高12式地对舰导弹能力”的开发费用,预算达379亿日元。
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【金银合“壁”,纳米线更皮实更高效】今天,纳米技术已经足够先进,可应用在无数有用的设备上,从触摸屏设备传感器、家用电器传感器到可穿戴生物传感器,这些传感器可监测血液中的化学水平、肌肉运动、呼吸和脉搏率。此外,还有一些精密设备的技术,如高分辨率扫描探针显微镜,甚至能让人们看到单个原子本身。

这些器件通常使用在玻璃或陶瓷基板上涂上导电材料的薄涂层制成的电极。但这类电极很脆弱,缺乏灵活性,它们还会采用昂贵和不易获得材料,制造起来难度也大。

一种备受关注的替代材料是银纳米线,这些导线的直径非常小(小到一毫米的千分之一),可制作成不同的横截面形状和结构。它们在导电性方面也是无与伦比的,具有优越的机械强度和柔韧性,可以很容易地用现成的材料合成。

这些特性和银纳米线的多功能性使得它们不仅对许多常用的电子设备特别有吸引力,对柔性电子产品的创新也特别有吸引力,如柔性手机和平板电脑,廉价的太阳能电池板或太阳能电池,可以制作在墙纸或衣服上。

图:带有光滑超薄金壳的银纳米线原理图(左),存在“蚀刻”孔隙的镀金银纳米线原理图(右)。图片来源:Khademhosseini实验室

银纳米线已成功地用于各种电子器件的电极;然而,由于它们易受热、光和湿气的腐蚀作用,商业用途受到了阻碍。这种腐蚀会导致纳米线表面出现凹坑和孔洞或“蚀刻”,从而对纳米线的电、机械和光学性能产生负面影响。蚀刻对基于银纳米线的器件性能非常不利,甚至可能导致器件失效。

以前,科学家曾尝试在银纳米线周围制造保护壳。在一次尝试中,研究人员曾将一种薄聚合物沉积在基底上作为纳米线屏障。纳米线的表面也生长了具有保护作用的薄金属或碳壳。这增加了用作透明电极的银纳米线的寿命和性能;然而,外壳表面缺乏高精度设备所需要的均匀光滑。

美国加州大学河滨分校的研究人员开发了一种围绕银纳米线制造超薄外壳的方法,获得了卓越的稳定性和有效性。相关研究https://t.cn/A6ITxDPb近日发表于施普林格·自然旗下的《纳米研究》。

研究者首先选择黄金作为保护壳,因为它能抵抗热、光和湿气。它的结构也类似于银,这有助于在银纳米线表面生长超薄的金层。然而,带电的金原子可能会与银本身发生反应,形成孔洞或孔洞,这显然是有问题的。该团队通过选择一种化学物质与带电的金原子配合来解决这个问题,有效地抑制了孔隙的形成。

该团队接下来开发了一种室温、基于解决方案的制造方法,它提供了简单的设置和直接的、可扩展的步骤。此外,他们的方法允许调整反应时间和混合物来控制沉积金层的厚度。

他们合成了银纳米线,通过结合溶液,让纳米线生长和结晶。他们还优化了实验条件,以提高纳米线的化学稳定性。合成的银纳米线有清晰的、三纳米厚的金涂层,表面光滑,没有蚀刻。他们还展示了一个稳定的银-金界面,这对于保持纳米线的光学和电学特性至关重要。

“我们考虑了设计一种有效方法来延长基于银纳米线的器件寿命的每一个可能的挑战,”该研究第一作者朱扬志博士(音译)说,“我们的数据清楚地表明,我们能够为这些挑战创造有效的解决方案。”

研究团队随后进行了实验,评估镀金和未处理的银纳米线的耐用性。当纳米线暴露在空气中,未涂层的银纳米线在10天后严重损坏并恶化。镀金纳米线即使在6个月后也没有变化。将两种纳米线暴露在过氧化氢和钠缓冲盐水的破坏作用下,也得到了类似的结果。

在柔性透明电极的性能测试中,两种纳米线都暴露在高温和高湿度中;未涂层的纳米线在12天后失效,但镀金的银纳米线的性能可与顶级的商用纳米线相媲美。

在光学器件的性能测试中,镀金纳米线在21天内表现出了高性能。相比之下,未经处理的银纳米线在一周内表现出效率下降,最终失败。此外,试验表明,金壳没有引入额外的背景噪声。

在相同的时间框架内,金涂层纳米线在高分辨率扫描探针显微镜测试中表现出了优越的结果,提供了稳定的高质量图像。相比之下,未经处理的纳米线的图像质量逐渐下降,直到器件发生故障。这些是显著的成就,因为这种类型的显微镜涉及高水平的机械应力和纳米线的稳定性是至关重要的。

“在无数的设备中使用银纳米线有很多优势,因此提高其性能和耐久性的能力产生了巨大的影响。”论文共同作者、寺崎生物医学创新研究所董事兼首席执行官Ali Khademhosseini说,研究团队为实现这一目标而设计的方法证明了这一研究的可靠性。

“金银合璧”的纳米线价格自然会更高,不过,由于其优良的导电性、纳米级别的尺寸,以及优异的透光性、耐曲挠性,未来它将在柔性折叠屏等领域一展身手。https://t.cn/A6ITElnr


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