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1986年,当法国天文学家安妮-玛丽·拉格朗日和她的同事们观察一颗距离我们约63光年、名为绘架座β星的恒星时,他们注意到了一些非常奇怪的事情。他们之所以观察这颗恒星,是因为两年前,其他研究人员在观察这颗年轻的、2300万年历史的恒星时,从侧面观察到了一个巨大的旋转尘埃和气体盘的红外辉光,这与我们自己的太阳系很久以前诞生时的情况类似。绘架座β星似乎正处于组建其自身行星系统的后期阶段,天文学家们基本上拥有了第一排的座位。
通过研究穿过星盘的星光,拉格朗日发现,在几个小时和几天内,出现了意想不到的运动迹象,仿佛一些阴影般的光吸收结构时不时地旋入视野。几个月来,拉格朗日和她的同事们一直在努力解释这些观测结果;他们考虑了恒星脉动、漂移的尘埃颗粒和其他现象,但没有一个与数据紧密匹配。
在走投无路的情况下,他们在1987年提出了最后一个、疯狂的解释,后来被证明是正确的:他们看到的是星光穿过冰冷物体在星盘中向恒星坠落时喷出的巨大气体羽流。也就是说,他们在发现第一批系外行星之前,就看到了掠星彗星——又名系外彗星。拉格朗日随后在巴黎天体物理研究所(IAP)的法国天文学家阿尔弗雷德·维达尔-马贾尔的指导下,将她的博士研究工作投入到绘架座β星上,并在2008年领导一个团队发现并拍摄了一颗围绕该恒星新形成的巨行星,绘架座β星b。
在发现绘架座β星的星盘和彗星近30年后,该系统已成为天空中被监测最多的天体之一。今天,拉格朗日和另一组法国天文学家为天文学家对这个早期行星系统的理解增加了一个新的层面,他们宣布了有史以来最完整的系外彗星普查结果。他们的研究结果发表在《自然》杂志上。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)
通过使用欧洲南方天文台HARPS行星探测摄谱仪八年的存档数据,该团队对绘架座β星周围的掠星彗星进行了前所未有的编目,通过从地球上观察到的彗星气体尾巴在恒星前通过时对星光的吸收,探测到近500颗彗星。其他一些恒星也被知晓存在系外彗星,但天文学家从未绘制出如此多的遥远太阳系之外的小型冰冷天体的分布图。“这是一项值得称赞的研究,这些研究人员的决心令人钦佩,”美国宇航局戈达德太空飞行中心的天文学家阿基·罗伯格说,他写了一篇评论文章来配合这篇论文。“一方面,很久以前就发现了环绕绘架座β星的掠星彗星,但另一方面,这项研究只有通过多年持续的、专门的监测才有可能实现。”
通过仔细分析从1000多个HARPS观测中选出的每个探测到的彗星气体云的速度和估计大小,该团队发现这些彗星分为两个不同的族群——一个外族群以与水星与太阳的距离相当的距离悠闲地环绕恒星,一个内族群则表现出广泛的速度范围,甚至在更近的距离上运行。奇怪的是,距离恒星较远的族群似乎产生更多的气体,这与预期的情况正好相反,因为我们太阳系中的彗星往往离我们太阳的强烈热量越近就越活跃。
根据该研究的主要作者、IAP天文学家弗拉维安·基弗的说法,可能的解释是,内族群由较老的彗星组成,它们的天然气和尘埃储存库几乎耗尽,而外族群由最近较大的母体碎裂产生的新鲜或更大的彗星组成。根据它们分散的、近距离轨道的方向,内彗星族群似乎也陷入了轨道共振,被附近一颗质量巨大的行星的引力影响所驱赶着围绕恒星运动——也许是绘架座β星b,或者可能是另一个尚未被观测到的世界。“这种共振与木星在我们太阳系中的影响非常相似,木星产生了太阳周围的大部分短周期彗星,”基弗说。“我们可能正在看到绘架座β星b形成时喷射出的一些残余物……这就像我们正在观察一个年轻得多的太阳版本,就在它形成行星之后。”
一个仍未解决的谜团是产生恒星周围外彗星带的母体的性质。基弗说,母体可能是一颗来自内带的超大彗星,它被困在与绘架座β星b的共振中。如果这颗巨型彗星离行星太近,引力可能会将彗星拉开,使新鲜物质在星光下蒸发。但罗伯格指出,外带的起源可能是行星大小。
2013年,她曾是一个团队的成员,该团队使用阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列射电望远镜发现了绘架座β星系统外围的两个巨大的单氧化碳云。对云的位置和形状的一种可能的解释是,它是由一颗远离恒星的巨型、未被观测到的行星的引力雕刻形成的,但另一种解释是,两颗火星质量的冰冷世界最近发生了破坏性的碰撞。这种碰撞产生的碎片可能会像一大群巨大的彗星一样落入系统的内部。“如果一氧化碳团块是由这种假定的巨大碰撞引起的,那么这可能与我们现在看到的这些碎片有关,”罗伯格说。“虽然我不知道这是否真的是这种情况,但如果所有这些都能像那样联系起来,我会非常高兴。”确定这种替代形成情景的合理性将取决于对这种灾难性碰撞产生的碎片进行动力学建模,以及对环绕轨道的一氧化碳云的未来观测。
除了彗星的来源之外,关于它们的最大谜团是:它们的水在哪里?尽管天文学家多年来一直在寻找,但他们还没有看到任何迹象。“如果这些是像我们预期的那样富含冰和水的彗星,我们应该会看到水发生光蒸发并分解成氢和氧等子产物——但我们还没有真正看到这种情况,”罗伯格说。“没有人对那里应该有多少水以及我们是否应该看到它做出确切的预测,但我们心中都存在这个迫切的问题。很快就有人会冒险尝试解决这个问题。”
如果更深入的调查未能显示绘架座β星彗星中存在任何水的迹象,基弗说,解决方案可能是它们实际上与我们自己的彗星非常不同。它们可能主要由一氧化碳或二氧化碳冰而不是水组成——这对于希望大多数恒星拥有富含水的宜居世界的天体生物学家来说是一个令人不安的前景。他和他的合作者已经在计划对该恒星的彗星以及从同一恒星育儿所诞生的兄弟姐妹之一的彗星进行更深入的研究——一颗名为HD 172555的恒星,它已经被发现拥有一些自己的系外彗星。罗伯格还在研究最近在另一颗恒星49鲸鱼座周围发现的少量系外彗星。
回顾这颗遥远但与她心心相印的恒星的近代史,拉格朗日对不断涌现的发现感到欣慰。“在20世纪80年代,我没想到30年后还会继续研究绘架座β星,”她说,并补充说她曾被劝阻不要将这颗恒星作为博士研究对象。“许多人对彗星情景持怀疑态度,并且不相信人们可以在太阳系之外探测到彗星;人们几乎不知道太阳系彗星有时会掠过太阳并蒸发。我很高兴这种彗星情景在过去几年中经受住了所有这些考验。”