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这颗绕行白矮星的行星或许能让我们一窥太阳系的最终命运

这颗绕行白矮星的行星或许能让我们一窥太阳系的最终命运

这颗绕行白矮星的行星或许能让我们一窥太阳系的最终命运

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文: NADIA DRAKE 编译: 邱彦纶):这颗木星大小的世界差点被膨胀的垂死母恒星毁灭──大约50亿年后,我们的太阳也可能迈向相同的结局。

这颗比我们更靠近银河系中心、距离约6500光年远的气态巨行星,也许是银河系中最幸运的一颗行星,因为它的母恒星在迈向死亡时,差一点点就将它毁灭。

这颗行星和它的母恒星扭曲了背景的星光,让天文学家得以发现它们,并发表于2021年10月13日出版的《自然》(Nature)期刊上。这颗幸运的遥远行星和木星差不多大,它的母恒星曾与我们的太阳类似,但现在已成为昏暗的白矮星,是仅有地球大小的微小恒星残骸。这颗恒星在老化时膨胀成红巨星,然后塌缩成致密的白矮星──这个过程很容易摧毁绕行的行星。

「要失去这颗行星相当容易,」并未参与此项研究的加州理工学院天文学家朱丽叶.贝克(Juliette Becker)表示:「但它很可能勉强逃过了毁灭的命运。」

若这颗行星距离它的母恒星再近一些,就可能会面临众多悲惨结局,比如被烧成灰烬,或者被撕碎──当垂死的太阳膨胀成红巨星时,地球终究会面临其中一种命运。科学家推测,我们的太阳在燃烧殆尽后,周遭的情形就会与此系外行星系统相去不远。

这篇研究的作者──美国航太总署(NASA)戈达太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的大卫.贝内特(David Bennett)表示:「这个系统非常类似我们所预期的太阳系最终状态。」

此系统也帮助科学家了解行星在母恒星剧烈死亡后还能幸存的机率。俄亥俄州立大学的天文学家史考特.高第(Scott Gaudi)表示,若事实证明完整的行星在白矮星周围很常见,那么「〔宇宙中的〕行星将比我们想像的还要更多。」

「这表示到目前为止,我们可能低估了银河系中的行星数量,」他说:「在系外行星领域,我们会开玩笑说,每次你把石头翻过来,都会发现一颗新行星。」

走出辉煌

随着恒星年龄的增长,会耗尽氢气来供给核心的核熔炉,引发一连串对绕行行星非常危险的事件。太阳在约50亿年后也会如此,到那时地球就有麻烦了。

少了氢的太阳将慢慢地膨胀成红巨星,当它膨胀时,会吞没并烧毁水星,下一个遭殃的是金星。就算地球侥幸躲过焚毁的命运,也一定会被恒星的重力撕裂。火星可能离得够远,而能幸存下来。在太阳系外侧的四颗巨行星会被向外推,极有可能进入更远的轨道──虽然在某些特殊情况下,它们可能会被完全抛出太阳系外,或什至被甩进太阳。

「随着恒星的演化,系统中的行星可能会面临很多非常奇怪的事情。」贝克说:「这个过程相当剧烈,尤其是对于系统内侧的行星。」

太阳在膨胀成红巨星约10亿年后,将塌缩成一团致密的恒星尸体──质量约为原始质量一半的白矮星,且挤压成与地球大小相近的球体,这个过程可能也会对附近的行星造成大灾难,任何幸存的行星都会置身于看来与先前大不相同的环境之中。即使这四颗巨行星撑过去了,也很有可能在接下来数十亿年中与其他恒星交会而消失无踪。

在炼狱中生存

虽然天文学家推测行星能在母恒星混乱死亡时幸存,但目前尚未发现太多行星真正度过大灾难的例子。这个在2010年新发现的系统,是科学家藉由「天文物理重力微透镜观测」(Microlensing Observations in Astrophysics)合作首度发现,当时幸存的行星和白矮星移动到更远背景恒星的正前方。

这种排列使得它们的重力放大并扭曲遥远的星光,产生天文学家所称的「微透镜事件」。到目前为止,微透镜已经揭露了约90颗系外行星的存在,其中还包括了一些自由漂浮的行星,也就是已经从它们的母恒星旁溜走,并独自在银河系内漫游的流浪行星(rogue planet)。

巨行星和白矮星弯曲背景星光的精确方式,使我们得知该系统的几个关键特征,包括它在天空中的运动、恒星和行星的存在,及行星的遥远轨道。观测结果还帮助天文学家计算出两个物体的相对质量。这个名为MOA-2010-BLG-477Lb的系统引起了天文学家的兴趣──但他们必须等上几年,才能进行更仔细的观测。

「当(微透镜)事件发生时,很难区分出前景恒星和背景恒星,因为它们必须彼此重叠,」贝内特说:「所以我们得要等它们分开。」

在2015 年时,贝内特和他的同事使用夏威夷茂纳开亚火山(Mauna Kea)顶上强大的凯克二号(Keck-II)望远镜寻找这颗恒星。他们知道此系统在这五年里会走多远,所以他们将凯克望远镜瞄准目标,凝视着黑暗深处,但却没有发现任何与他们正在寻找的恒星相似的天体──只有另一颗朝着错误方向移动的恒星。

研究团队在2016年和2018年再次重复进行观测,可是两次都没有结果。他们根据扭曲的星光,知道这个系统必定存在此处。无法观测到天体的事实让贝内特和他的同事知道,他们正在寻找的天体是如此黯淡,以至于连凯克望远镜都无法看见它。

「我们知道它必定是颗比太阳质量稍小的暗星,而白矮星是个显而易见的选择。」贝内特说。

研究团队在进行了更多计算后得到结论,这个系统包括了一颗木星质量的行星和一颗质量约为太阳一半的白矮星。这颗行星的轨道与母恒星的距离,至少是地球绕太阳距离的2.8倍,大概和我们太阳系的小行星带位置差不多。

「这颗行星的位置就在我们预期会形成巨行星的地方,」高第说:「并且表示这些与木星类似的行星,能够在类太阳恒星的演化过程中幸存下来。」

不知为何,这颗巨行星所处的位置恰到好处,逃过了母恒星变化所造成的致命后果──这个距离不但取决于垂死的恒星,还与行星的特征及其他可能处于同一系统内的行星运动有关。

寻找更多绕行白矮星的行星

先前天文学家就已经发现了行星绕行白矮星的证据,但都与这次的新发现完全不同。 2019 年,跨国天文学家团队在一颗白矮星周围发现了一个充满气体的残屑环,他们推测在这些碎片内可能有一个小而致密的行星残骸,而这个被摧毁的世界或许就是地球未来无法逃避的宿命。此外他们还发现了其他几个可能是由不幸行星和小行星碎片残骸所形成的碎屑盘。

去年,另一个使用NASA「凌日系外行星巡天卫星」(TESS)行星搜寻仪器的团队,发现了另一颗候选巨行星以仅34小时的短周期绕行白矮星。贝克说,这颗行星离它的母恒星如此近,它「肯定会在红巨星阶段被吞没。」 他说:「这表示它一定是在恒星变成白矮星后,才迁移到目前的位置。」

此外,在过去的20年里,科学家们在观测白矮星时,也发现了化学元素的痕迹──被吞没的岩质行星碎屑。

除了新发现的系统外,所有的观察结果都显示,有些行星可以在其母恒星演化过程中的转变幸存下来──至少在一段时间内是如此。但我们还不清楚,要如何决定一颗行星是生存或毁灭的过程。

NASA的南西.葛莉丝.罗曼太空望远镜(Nancy Grace Roman Space Telescope)计画于2020年代中期发射,到那时应该会发现大量绕行白矮星的行星。随着天文学家发现更多环绕死亡恒星的行星,我们将更了解恒星的死亡过程会如何改变行星系统的结构,也让我们能够一窥太阳系的未来命运。




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