死亡恒星吞噬行星

2023-03-08 00:30编译刘安立

大自然探索 2023年2期

关键词：白矮星   彗星   天文学家

编译 刘安立

白矮星会吞噬自己行星的猜测一直未被证实。但最近，天文学家首次观测到——

白矮星撕裂行星（想象图）

某些恒星在死亡后会变成白矮星。恒星的死亡悸动非常猛烈，因此天文学家推测白矮星会吞噬自己的行星系统（其中包含多颗行星），但这种推测一直没有被证实。最近，天文学家宣布首次观测到白矮星吞噬的对象不仅有岩石-金属类物质，而且包括含冰物质。也就是说，白矮星的确会吞食自己的行星。

哈勃太空望远镜对研究白矮星的行星系统贡献卓著

多部望远镜助力

过去两年多来，多个天文学团队一直在分析从附近一颗白矮星——G238-44 上侦测到的元素，以破解这颗白矮星自身的行星系统之谜。他们研究的观测数据来自现已退役的远紫外光谱探测器卫星、凯克望远镜和哈勃太空望远镜等。这些数据为天文学家得出白矮星会吞噬行星这一结论提供了重要依据，并且帮助天文学家认识行星系统演化所具有的狂乱本质，以及了解新形成的行星系统的构成。

像太阳这样的恒星最终会抛弃自己的外层，不再通过核聚变进行燃烧，由此剩下的恒星残余就是白矮星。天文学家对G238—44 的大气层所俘获的物质进行了分析。在研究G238—44 的过程中，天文学家首次发现了岩石-金属类物质和含冰物质都被吸积到白矮星上的情况。通过探索像G238—44这样的白矮星，他们希望能倒推依然完整的行星系统的构成，以及推测新形成的行星系统会怎样。

“冰水库”不特殊

这项新研究之所以激起天文学界的兴趣，也是由于天文学界普遍认为：至少在太阳系中，小型含冰天体会撞击和“滋润”干燥的岩石行星。一些天文学家推测，几十亿年前，彗星和小行星把水带给了地球，为我们今天所知的生命形成创造了必要的条件。

我们所知的生命离不开表面覆盖碳、氮、氧等元素的岩石行星。而在G238-44表面探查到了大量的这些元素，这就表明了这颗白矮星的行星系统中既有岩石天体也有含冰天体。尤其值得一提的是，虽然天文学家已经研究了数百颗白矮星，但这还是首次发现白矮星的行星系统同时存在这两类天体。

图中左侧：明亮的白色恒星被小行星环围绕。图中心：彗星、黄色和红色的气态巨行星。最右侧：白色小点代表环绕G238-44 系统的冰云组成部分。整张示意图描绘了这颗白矮星行星系统的毁灭情况。这一切的起因是位于图中的白矮星。行星类天体被撕裂后，其碎片坠向白矮星，构成了非常模糊的吸积盘。剩下的小行星和其他行星类天体所构成的“冰水库”环绕着白矮星。该白矮星系统中可能仍有气态巨行星。在更远处是一个含冰天体（例如彗星）带，它最终也会沦为白矮星的一部分

白矮星G238-44 及其行星系统（想象图）

地球之水可能来自天上（想象图）

白矮星真够“狠”

有关行星系统演化的理论，都把红巨星和白矮星（像太阳这样的恒星首先会变成红巨星，然后变成白矮星）之间的过渡阶段描绘得很狂乱：恒星迅速失去外层，恒星周围行星的轨道大大改变，像小行星和矮行星之类的小天体可能会因为太靠近巨行星而被巨行星的引力效应弹射至恒星。上述新研究不仅证明这些理论是正确的，而且证实了白矮星的疯狂程度：在恒星开始其白矮星阶段后的一亿年内，白矮星能同时捕获并消化源自白矮星系统中类似太阳系中小行星带和柯伊伯带（位于太阳系边缘）的天体。

天文学家估计，被G238-44 最终吞没的天体总质量可能不会超过一颗小行星或一颗卫星的质量。虽然从天文学上讲这个质量并不多，但并不能改变白矮星的“饿鬼”之名。另外，虽然天文学家得到了G238-44 至少吞没了两颗不同类型的天体这一结论，但他们的依据并非是直接观测。尽管如此，他们依然推测被G238-44 吞噬的很可能是一颗富含金属的小行星和一颗类似柯伊伯带天体的天体。

白矮星是恒星残余（想象图）

系外行星（想象图）

科学家的两个推测

虽然天文学家已经识别出了超过5000 颗系外行星（位于太阳系以外的行星），但他们对这些行星的内部构成了解很少。不过，白矮星吞食自身行星系统这个事实，有助于天文学家通过被白矮星“拆解”的行星成分来还原行星最初形成时的构成。

天文学家测量了被G238-44 吞食的元素（包括氮、氧、镁、硅、铁等）情况，结果发现其中铁元素特别多，这证明这颗白矮星的行星系统中存在像地球、金星、火星和水星那样的类地行星（一般来说，只有在类地行星上铁元素才丰富）。另外，被G238-44 吞食的氮元素也很多，天文学家因此推测G238-44 的行星系统中存在含冰天体（一般来说，只有在含冰天体上氮元素才多）。与观测数据最匹配的情形是：在G238-44 行星系统中，水星类天体数量是彗星类天体的两倍。虽然这一比例还有待证实，但金属铁和氮冰的同时存在都清晰地表明了在G238-44 行星系统中不同的行星类天体的形成过程是多么迥异，而这一点是太阳系天体不能比拟的。

潮汐力撕碎行星

当类太阳恒星在其晚年膨胀成红巨星时，会因外层蓬松、丢失物质而减少质量，其结果之一是：剩下的大行星的引力效应会导致小行星、彗星和卫星等小天体到处乱撞，导致它们最终进入完全偏离其原来轨道的偏心轨道。

红巨星失去自己的外层（想象图）

在红巨星阶段后，白矮星变得非常致密，体积还不如地球大。此时，失去控制的行星最终会非常靠近白矮星，因而被白矮星超强大的潮汐力撕碎，由此形成的星周盘（由气体、尘埃、微行星或轨道中围绕恒星的碰撞碎片等组成的薄饼状或环状堆积物）最终坠落到白矮星表面。

天文学家已在研究50 亿年后太阳的终极命运。他们推测，届时地球和其他内行星将被完全气化，而小行星带中许多小行星的轨道将被木星引力扰乱，最终这些小行星会撞向由太阳演变成的白矮星。当然，50 亿年后的事情距离当今太过遥远，我们也不必杞人忧天。