行星围绕死亡恒星运行预示太阳系遥远未来的命运

围绕白矮星的可能行星图像表明,一些气态巨行星在其恒星宿主死亡后幸存下来

A white dwarf star exhibits a constant stream of transits by debris and or dust in orbit about it

在遥远的未来——大约六十亿或七十亿年后——太阳将开始死亡,膨胀成一个臃肿的红巨星。在数亿年的时间里,它将吹走其外层,失去大约一半的质量,并留下其超热、超高密度、超小的核心:一颗白矮星。

当这种情况发生时,内行星将化为灰烬。水星、金星,甚至很可能我们珍贵的地球也将被太阳吞噬并汽化,因为它们曾经仁慈的宿主恒星实际上会侵占并吞没它们。但是像木星和土星这样的外行星呢?它们应该能在这次磨难中幸存下来,因为它们距离太阳系的中心非常遥远。然而,直到现在,还几乎没有直接的观测证据表明,这样的外行星世界能够经受住类太阳恒星宿主的死亡阵痛。

利用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST),一个由太空望远镜科学研究所的苏珊·穆拉利领导的天文学家团队瞄准了四颗白矮星,希望获得可能仍在围绕它们运行的任何大型行星的直接图像。其中两颗一无所获,但另外两颗显示出仍然围绕它们运行的现有巨型系外行星的证据。需要明确的是,这些行星尚未得到证实,但如果这项研究取得成果,它们将作为我们太阳及其世界的未来景象——而这个未来并不完全令人安慰。该小组的研究成果上个月已发布在预印本服务器arXiv.org上,已被《天体物理学杂志快报》接受发表。


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选择这四颗白矮星进行 JWST 的观测是因为它们似乎很有可能在其红巨星前阶段拥有行星——并且任何仍然围绕它们运行的行星都应该很容易看到。它们在星系中相对靠近太阳,使得围绕它们的行星更容易被发现;从太远的地方看,行星和宿主恒星会融合成一个单一点。此外,这些白矮星足够年轻,任何现有的行星都应该仍然在红外线下发光,这是来自它们形成时残留的热量——也就是说,它们越年轻,它们就越温暖,JWST 就越容易发现它们。

然而,最重要的是,之前的观测表明,所有四颗白矮星的表面都被重元素污染了。白矮星很小但质量很大。它们的大小与地球差不多,但质量约为太阳的一半。这赋予了它们强大的表面引力,是地球的 100,000 倍。任何重元素,如钙或铁,都应该在其热氢和氦等离子体汤中迅速下沉——非常迅速,甚至在几天之内。因此,如果看到任何这样的元素,几乎可以肯定是因为白矮星最近享用了一顿由这些元素组成的小行星零食。我们知道在我们自己的太阳系中,与巨行星的引力相互作用通常会将小行星和彗星抛向太阳。如果这种情况发生在其他恒星系统中——并且没有理由假设它不会发生——那么看到那些重元素涂抹在白矮星的表面上就意味着存在更大的、看不见的世界,它们离恒星更远。

JSWT 非常适合这项搜索,因为在可见光中,就像哈勃或大多数地面望远镜主要探测到的那样,恒星比其任何行星亮数百万甚至数十亿倍。在红外线下,对比度较低。最重要的是,白矮星非常热,它们的大部分光都在紫外线下发射,这使得它们在红外线下甚至更暗淡,在红外线下,它们可能只比巨行星亮一百倍左右——很容易被发现。

在天文学家处理和分析图像后,两个白矮星目标,WD 1202-232 和 WD 2105-82,似乎有靠近的微弱伴星天体。这些恒星的估计年龄分别为 53 亿年和 16 亿年。但这包括它们在进入白矮星结局之前的漫长历史。两者都在 9 亿到 8 亿年前完成了这一转变,因此从天文学角度来看,它们确实很年轻。

这两个候选伴星天体的红外亮度与大约与其宿主恒星年龄相同的巨型气态行星的亮度一致。它们的质量,从它们在多个波长上的亮度推断出来,分别为木星质量的一到七倍和一到两倍——坚定地处于“行星”质量范围。这排除了它们是褐矮星的可能性。

它们的轨道距离非常有趣。WD 1202-232 的候选伴星天体距离恒星约 18 亿公里,而 WD 2105-82 的候选伴星天体甚至更远,约为 52 亿公里。然而,这些遥远的位置不太可能是这些假定世界开始存在的地方;随着恒星死亡并失去质量,它们对行星的引力控制减弱,行星因此迁移到更远的地方。这意味着它们最初可能起源于更近的地方,分别距离它们的恒星约 8 亿公里和 15 亿公里。这与目前木星和土星到太阳的距离非常相似!

如果得到证实,这些行星将表明,我们太阳系中的外行星很可能在太阳消亡后幸存下来,即使内行星很可能不会

JWST 的观测也支持了巨行星将小行星抛向其白矮星宿主的假设。如果在任何四颗目标恒星周围都没有发现行星,这个想法就会被削弱;这可能意味着,也许只有较小的行星,JWST 看不见,才会以这种方式喂养它们的恒星。(我应该指出,这样的小行星可能仍然潜伏在另外两颗没有发现巨行星的白矮星周围。)

但我们不要太仓促;再次强调,这些行星尚未得到证实。从它们的颜色来看,天文学家可以排除这些物体是遥远的恒星或我们自己太阳系中的物体。它们可能是非常遥远的红色背景星系,但考虑到图像中看到的星系数量,其中两个星系如此明显地靠近白矮星的可能性很低。根据天文学家的计算,几率约为三千分之一。这一发现尚无定论,但充满希望。

确认它们的最佳方法是在不久的将来进行更多观测。白矮星在太空中移动,并且相对于背景恒星的位置将会发生变化。如果这些物体真的是行星,它们将与恒星一起移动;如果它们是背景物体,它们将看起来是固定的。此时的不确定性当然令人沮丧,但时间会证明一切。

鉴于这些观测似乎取得了成功,希望 JWST 将很快监测更多的白矮星,看看是否可以找到其他潜在的行星幸存者,并从中更深入地了解我们自己太阳系的命运。

当然,我们可以等待六十亿或七十亿年才能看到会发生什么。但我更希望早点知道,那时我们仍然有一颗未汽化的行星可以从中进行研究。

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