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这颗不同寻常的星或揭露太阳系未来面貌

来源:光明网2020-01-13 17:19

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  日前,来自英国、智利和德国的天文学家团队在《自然》杂志刊文称,首次发现了围绕一颗白矮星(名为WDJ0914+1914)旋转的巨行星的证据。这个“偶然的发现”,或让我们得以管窥太阳系50亿年后走向灭亡时的面貌,以及地球可能的宿命。一起听听中国科学院国家天文台研究员赵景昆及助理研究员赵斐怎么说~

这颗不同寻常的星或揭露太阳系未来面貌

  想象图描绘出新发现的恒星系统,有块行星碎片绕着白矮星公转。ILLUSTRATION BY UNIVERSITY OF WARWICK/ MARK GARLICK

  Q:什么是白矮星,它是如何形成的?

  A:白矮星是一种低光度、体积小、高密度的恒星,是质量小于8个太阳质量的恒星的最终归宿。它的内部已经停止了核反应,又称为死亡的恒星,只能依靠电子简并压力来抵抗本身的重力。随着时间的推移,它不断的冷却,最终形成黑矮星。银河系中超过95%的恒星最终都会演化为白矮星。

这颗不同寻常的星或揭露太阳系未来面貌

  白矮星

  中低质量的恒星会经历一个漫长的主序阶段,此阶段依靠核心的氢燃烧来提供能量。核心的氢燃烧完之后,变成了含氦的核。这个核由于没有内部辐射压而收缩,收缩产生的热量点燃了周围壳层的氢。壳层的氢点燃之后进一步压缩核心,并导致核心温度急剧上升,外层迅速扩张,这就是红巨星分支。等到核心压缩到超过一亿摄氏度之后,核心的氦被点燃开始核聚变形成碳和氧,这个点燃的过程叫“氦闪”。氦闪之后核心开始膨胀,形成了核心烧氦外层烧氢的巨星,这时候叫做水平分支巨星。此时由于核心膨胀导致了温度不再上升,所以恒星反而不再膨胀,光度也略有下降。水平分支继续发展直到内核积累了足够的碳和氧,碳和氧继续失去辐射压力而收缩升温,外面包裹着氦聚变和氢聚变两层包层,此时恒星又开始升温,继续膨胀,变成红超巨星,此时叫做渐进巨星支。如果质量不足以点燃碳聚变,那么很快整颗恒星就会变得不稳定,外层开始损失质量,最后外层散逸,只留下无法继续核聚变的碳氧核收缩成简并态,这就是白矮星。

  Q:这次发现都有哪些不同寻常之处?

  A:这项研究中的白矮星是从斯隆数字巡天光谱证认的7000颗白矮星中发现的,而且仅此一颗。理论推断,在白矮星光谱中发现巨行星信号的概率非常低,仅为万分之一。这个白矮星系统初始被错误的分类为一个密近双星白矮星系统,后来经过对光谱仔细检查,才发现了它的特殊之处,所以我们可以说这是一个偶然的发现。

这颗不同寻常的星或揭露太阳系未来面貌

  斯隆数字巡天利用位于美国新墨西哥州的2.5米口径望远镜进行巡天观测

  说它特殊,是因为研究小组在斯隆数字巡天提供的低分辨率光谱中发现了氧的发射线和可能的硫的发射线。后来经过欧洲南方天文台的X-shoot仪器对这颗白矮星进行的后继观测,证实了氧和硫的存在,而且还发现这些元素来自于围绕白矮星旋转的气体盘,而非白矮星本身。最终通过丰度分析,研究小组发现氧和硫的含量类似于在冰质巨型行星如海王星和天王星的深层大气层中发现的含量。因此,推断出产生这种气体盘的唯一的可能是来自于围绕白矮星旋转的巨行星。

  Q:为什么到现在才首次发现围绕白矮星旋转的巨行星的证据?寻找的过程要面临哪些困难?

  A:首先白矮星因为体积小,光度暗,光谱获得较困难。在斯隆数字巡天之前,光谱证认的白矮星数量仅仅为2000个。近年来斯隆数字巡天光谱证认的白矮星数量才达到约30000个,所以说,直到最近10多年,才有了较丰富的白矮星目标源。

  另外,白矮星光谱上的巨行星的信号相对较弱,通常不易发现。WD1914+0914这颗白矮星起初也被错误的认为是一个密近交互双星,后来经过对光谱仔细检查,才发现了它的特殊之处。

  最后,化学成分的最终确定以及丰度分析,需要大望远镜的后继观测,这些大望远镜的观测时间宝贵,申请相对较困难。以上因素对发现白矮星存在巨行星的证据带来了困难。

这颗不同寻常的星或揭露太阳系未来面貌

  恒星演化略图

  Q:这次发现会给恒星、行星演化等相关研究带来新线索吗?

  A:在这次发现过程中,研究小组成员开发了计算白矮星周围气体圆盘的模型,这是人们第一次能够测量圆盘中氧和硫等气体的数量,这为研究系外行星大气的组成提供了线索。

  这项发现同时也拓展了气态巨行星的存在时标和演化轨迹,为我们揭示了类海王星质量的行星,在其主星演化到白矮星阶段后仍然存在的证据,也在某种程度上预示了我们太阳系中的巨行星的演化归宿。

  另外,通常认为,在恒星脱离主序演化为红巨星的过程中,会吞噬它的行星系统。在该项研究之前,还没有观测证据表明有一颗巨行星能在恒星转变为白矮星的过程中幸存下来。所以此项研究不但揭示了恒星的残留物白矮星仍然可以拥有行星,而且通过行星的轨道分析暗示白矮星可能拥有多颗行星。

  Q:此次是通过分析白矮星中的气体,发现了这颗行星,如果行星上有大量氧气,是不是也暗示白矮星周围可能会存在拥有生命的行星?

  A:现有的理论认为,类似我们地球上的碳基生命的存在,不仅需要氧气,还需要适宜的温度、稳定的大气层,以及液态水作为发生生命化学反应的溶剂。在此项发现中,由于白矮星的辐射,巨行星的大气层被持续的吹走,不利于形成稳定的大气结构和持久的温室效应。

  同时,由于这颗白矮星演化过程中曾经经历过巨星阶段,因此可能已经吞并和摧毁了其周围的多数行星系统。残存的这颗巨行星可能处于较远的轨道上,才一直存活到了白矮星阶段。在如此“严酷”的环境中,生命存在的希望非常渺茫。

  不过,由于白矮星演化的时间尺寸非常长,在如此漫长的时标下,理论上不能排除其周围行星系统中曾经有过或者未来能演化出适宜生命存在的环境。

这颗不同寻常的星或揭露太阳系未来面貌

  太阳系

  Q:此次发现对预测太阳系的未来有何意义?

  A:太阳目前大概年龄为40亿年,再过50亿年后,它将脱离主序,演化成一个红巨星,最终的归宿也是一颗类似WDJ0914+1914的白矮星。因此,这个发现对我们预测太阳系的未来具有指导意义。

  太阳演化成红巨星后,将吞噬水星、金星和地球,但是火星、小行星带、木星和太阳系中的其他行星将在其轨道基础向外扩张。在太阳成为白矮星后,仍然可以作为行星的宿主,火星,小行星带和木星将会围绕它运转。在行星运行的过程中,它们可能被已成为白矮星的太阳巨大的引力吸引过去。此时,太阳发出的辐射可能会非常强大,足以蒸发掉目前正在运行的木星、土星和天王星的大气层,最后剩下来的可能只有它们的岩石核心。(肖春芳)

  受访专家:赵景昆,中国科学院国家天文台研究员,研究方向银河系结构及其化学演化,白矮星;赵斐,中国科学院国家天文台助理研究员,研究方向包括系外行星搜寻、激光频率梳和宜居带模型

[ 责编:张梦凡 ]
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