幸运行星能获得第二次生命的机会吗?

红巨星周围的世界,以及那些不绕任何恒星运行的世界,暗示了宇宙中行星和生命可能性的出乎意料的多样性

An illustration of the giant planet 8 UMi b, also known as Halla, in the foreground, it's nearby red-giant star in the background to the right

巨行星 8 UMi b(也称为哈拉)的插图,它出乎意料地逃脱了附近红巨星的毁灭。

几十年来,天文学家一直致力于自信地预测包括我们太阳系在内的宇宙中行星系统的命运。这些专家的预测有一个中心原则:要自信地猜测一颗行星最终会遭遇什么,你必须知道它的恒星的大小。

微小的恒星实际上不会燃尽,而是会在数千亿甚至数万亿年的时间里暗淡地发光并逐渐消失,很可能将其行星伴侣拖在身后。大质量恒星则会以爆炸的方式消亡,以超新星的形式爆发,留下中子星或黑洞。此类事件往往对行星系统是灾难性的。而像我们太阳这样的中等质量恒星会膨胀成红巨星,吞噬烧焦它们的行星,然后消散成为一颗缓慢冷却的恒星余烬,称为白矮星

这种黯淡的命运预计将在大约五十亿年后降临我们的太阳,这将成为地球上的生命,甚至可能整个太阳系的最后期限。


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但是,对银河系其他地方垂死恒星和注定世界的最新研究的见解挑战了这种共识。似乎行星系统(包括我们的太阳系)的最终命运并非完全注定。

具体而言,两项新发现——一颗巨行星紧密围绕红巨星运行的发现对银河系中所谓流浪行星的识别和数量估计——突显出有更多细微的场景需要考虑。行星可以在恒星毁灭中幸存下来,并且绝大多数行星系统在其历史中都会抛弃许多世界。

本不该存在的行星

当我们的太阳最终进入红巨星阶段时,它的半径可能会远远超出地球目前的轨道。即使我们的地球和太阳系的其他内部岩石世界逃脱了吞噬,太阳的膨胀可能仍然会宣告它们的末日,因为它们将经历灼热的温度。对于前一种情况,天文学家一直在白矮星的大气层中看到这种消亡的迹象:研究人员发现这些恒星散落着它们可能吞噬的死亡行星的残骸。 

事实上,天文学家认为,任何在红巨星半径内围绕恒星运行的行星的命运都可能已被注定。直到发现行星 8 Ursae Minoris b (8 UMi b),也称为哈拉(以韩国的山峰汉拿山命名,并纪念 2015 年最初发现它的韩国天文学家)。 

“我们过去认为行星无法在变成红巨星的恒星周围生存——但这个系统提供了一个漏洞,”耶鲁大学天体物理学助理教授玛莱娜·赖斯解释说,她与人合著了关于哈拉的新研究,推测它是如何不可思议地幸存下来的。

哈拉的发现是通过其轨道牵引在其红巨星母星 8 Ursae Minoris (8 UMi) 上引起的摆动来实现的。跟踪该摆动随时间的周期,你就可以辨别出行星的公转周期及其与恒星的距离。如此仔细的检查表明,哈拉距离 8 UMi 仅 7500 万公里——即仅为地球与太阳之间距离的一半。但是,对 8 UMi 红巨星阶段的标准建模表明,恒星膨胀的、炽热的恒星大气层应该在其膨胀峰值时向外膨胀约 3000 万公里。也就是说,哈拉似乎是一颗本不该存在的行星。它本应被吞噬和摧毁。相反,它以某种方式逃脱了。

“这颗行星非常幸运,”赖斯说。“在过去,我们认为它可能围绕两颗恒星而不是一颗恒星运行,这帮助它在可能发生的火热命运中幸存下来。”

双星可以来回交换物质,它们甚至可以合并成为一颗恒星,为任何轨道世界带来丰富的新可能性。这种主要的质量重新分配可以改变行星轨道,同时深刻影响恒星的发光方式,添加或虹吸气体以改变其后续恒星演化的性质和时间。根据赖斯及其同事的仔细建模工作,哈拉生存的最可能解释是 8 UMi 曾经有一个较小的近距离伴星陪伴,并最终与之合并。在其他影响中,合并将抑制 8 UMi 的红巨星膨胀,从而使哈拉幸免于难。

尽管这种机制阐明了一些幸运的世界如何在其恒星的滑稽动作中幸存下来,但它并没有为我们自己的太阳系提供多少希望,因为我们的太阳缺乏恒星伴侣来抑制其最终的演化膨胀。

“如果太阳膨胀超出它们的轨道,我们的岩石行星将很难度过那个过程,”赖斯说。“但是,或许找到更多像这样的系统可能会教会我们一些有趣的自然‘漏洞’,这些‘漏洞’至少在某些类型的行星系统中会发生。” 

数万亿颗流浪世界

通过 NASA 的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜(计划于 2027 年 5 月发射),新发现的世界的丰富发现——以及随之而来的,或许是更多“漏洞”的揭示——可能会相对较快地到来。罗曼的大部分潜力来自其计划中的系外行星巡天,这将依赖于一种相对未被充分利用的技术,称为微引力透镜。在这种方法中,罗曼将同时凝视许多恒星,寻找机会,即一颗带有行星的恒星将完美对齐,以穿过另一颗“背景”恒星,后者距离更远。在这种情况下,前景恒星的一些行星可以充当引力透镜,并以一种允许天文学家重建透镜世界质量和轨道的方式放大背景恒星的光。该技术对远离恒星运行的行星特别敏感——这是一个其他行星搜寻方法仍然很少探测到的星周区域。

事实上,它也能够找到完全离开恒星的世界——罗曼可以利用这一点来发现星际空间中数以百计的流浪行星。已经存在的微引力透镜巡天已经发现了一些这些自由漂浮的世界,并且这种很大程度上隐藏的人口的统计数据表明,大多数行星系统都有着令人惊讶的动荡历史。

最新的例子来自 MOA(天体物理学微引力透镜观测)巡天,这是一个由国际团队在位于新西兰南岛坎特伯雷大学约翰山天文台进行的项目,其中包括 NASA 和日本大阪大学的科学家。MOA 运行了近十年,已经收集了足够的数据来权衡银河系中质量低至甚至低于地球质量的流浪行星的丰度。

NASA 戈达德太空飞行中心高级研究科学家、两篇论文的合著者大卫·贝内特说:“这个数字比我们预想的要大一些。”这两篇论文报告了这些发现,并已发布在预印本服务器 arXiv.org 上。这些论文计划在《天文学杂志》的未来一期中发表。

大阪大学教授、两篇预印本研究的合著者 MOA 合作者住吉隆博说:“到目前为止,MOA 只探测到六起与低质量流浪行星放大一致的微引力透镜事件。”他补充说:“考虑到低探测效率和我们的探测结果,我们估计银河系中存在许多这样的低质量天体。” 

贝内特说:“我们发现银河系中每颗恒星大约有 20 颗自由漂浮的行星,而且这个数字主要由质量与地球质量相似或更小的低质量行星构成。”这些数字反过来表明,仅在银河系中就有惊人的 2 万亿颗流浪世界——是估计与恒星结合的行星数量的六倍。

如果这个估计是正确的,这意味着大多数行星系统本质上都在宇宙时间中瓦解,通过行星或其宿主恒星之间的动态相互作用抛弃其许多成员,这些相互作用可以将不幸的世界弹射到星际深渊中。当我们向外观察太阳系和其他多行星系统时,我们看到的剩余行星很可能只是曾经繁华社区的稀有残余。

贝内特解释说,大多数流浪世界很可能在行星形成的早期阶段被抛射出来,之后行星系统会稳定到更稳定的配置中。他说,在类太阳恒星的整个生命周期中,抛射的概率通常会降低。但是,当它膨胀成红巨星并开始剥落其外层气体时,由此产生的行星轨道变化可能会引发新一轮的世界抛射不稳定性。

贝内特认为,质量远大于太阳并以超新星形式结束生命的恒星也可能提供丰富的流浪世界来源,并有助于解释 MOA 的超大估计值。

俄亥俄州立大学的天文学家和微引力透镜专家斯科特·高迪认为,MOA 令人惊讶的结果是目前可用的最佳结果,但警告说它们仍然非常不确定,因此“应该持保留态度”。他说,罗曼应该 благодаря 其预期微引力透镜巡天的前所未有的灵敏度,来增强统计确定性。

生命的问题

然而,如果 MOA 的估计是准确的,那么流浪世界的庞大数量提出了一个有趣的问题:它们中的任何一个能否为生命提供有利的条件?美国宇航局戈达德太空飞行中心的行星宜居性专家拉维·科帕拉普说,流浪行星上的生命可能存在问题——但并非不可能。

科帕拉普说:“如果没有恒星,寒冷流浪世界上的生命可能需要从内部来源获取能量。”“这可能是潮汐/摩擦热的形式,就像木星的一些卫星一样,那里有地下海洋,来自行星形成时的残余能量,或者来自行星核心中重元素的放射性衰变。”这样的世界可能类似于我们外太阳系的大卫星,并在冰壳下蕴藏着潜在的宜人条件。

对于表面宜居性,科帕拉普说,浓厚的氢气大气层可能会隔离流浪行星,并使其表面温度保持足够温暖,以供生物生存。这种大气层很容易被恒星辐射吹走,但由于流浪行星不绕恒星运行,它们可能能够比任何沐浴在阳光下的世界更长时间地依附于氢气的绝缘大气层。

在如此多的不确定性中,生命在如此陌生的环境中的前景似乎令人眼花缭乱或黯淡。生物圈有一天可能会在后红巨星周围或在没有恒星的世界中被发现苟延残喘吗?至少可以说,这个想法令人震惊——而且我们可能很快就会有真实的数据来更好地回答如此宏大的问题,这更是如此。

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