科學家首次發現繞白矮星運行的巨行星

2020-12-24 科學網

 

近日，英國華威大學等機構的研究人員利用歐洲南方天文臺（ESO）的甚大望遠鏡，在一顆白矮星周圍發現了一團神秘的氣體。這個氣盤含有極有可能來自這顆行星的氫、氧和硫混合物。這是研究人員首次發現與白矮星有關的巨行星的證據。

白矮星是類太陽恆星爆炸殘餘，在近距離內，巨行星的大氣層被剝離，在白矮星周圍形成了一個氣體圓盤。而這個獨特的系統暗示了太陽系在遙遠的未來可能是什麼樣子。相關論文近日刊登於《自然》。

該研究負責人、華威大學的Boris Gansicke說：「這是一個偶然的發現。」

不同尋常之處

白矮星由一些恆星演化而來。質量與太陽差不多的一些恆星在燃料枯竭後會首先膨脹為紅巨星，最後演化成一顆白矮星。到目前為止，還沒有證據表明行星能在恆星轉變為白矮星的過程中倖存下來。

而這顆名為WDJ0914+1914的白矮星似乎有些不同尋常。

研究小組檢查了大約7000顆斯隆數字巡天項目觀測到的白矮星，發現其中一顆與其他的都不一樣。通過分析來自該恆星光線的細微變化，他們發現了微量的化學元素，其數量是科學家以前從未在白矮星上觀察到的。

他們在數據中發現了非常微小的氫峰值，同時也發現了氧和硫峰值，這是以前從未見過的。

「我們認為在這個星系中一定有什麼異常的東西，並推測它可能與某種類型的行星遺蹟有關。」Gansicke告訴《中國科學報》。

為了更好地了解WDJ0914+1914的特性，研究小組用位於智利阿塔卡馬沙漠甚大望遠鏡上的X射線發射器對其進行了分析。通過研究光譜細節，研究小組發現這些元素是從一個氣體盤中旋轉進入白矮星的，而不是來自恆星本身。

智利瓦爾帕萊索大學的Matthias Schreiber計算了這個系統的過去和未來的演變。「我們花了幾周時間進行了艱難的思考，最終弄清楚製造這樣一個圓盤的唯一方法就是一顆巨大行星的蒸發。」Schreiber說。

如果真的有這顆行星，那它將是目前已知的第一個經歷了恆星衰變的「倖存者」。

第一個倖存者

研究人員發現，探測到的氫、氧和硫的含量與在海王星和天王星等巨大的冰凍行星的深層大氣中發現的含量相似。如果這樣一顆行星的軌道靠近一顆熾熱的白矮星，來自白矮星的極端紫外線輻射會剝去它的外層，其中一些剝離下來的氣體漩渦會形成一個圓盤，並吸積到白矮星上。

這就是科學家在距離巨蟹座約1500光年的WDJ0914+1914周圍所看到的—— 一顆圍繞白矮星旋轉的蒸發行星。此前，科學家從未發現白矮星周圍存在巨行星的證據。這可能是眾多此類恆星軌道上的第一顆。

通過將觀測數據與理論模型相結合，來自英國、智利和德國的天文學家團隊能夠更清晰地描繪出這個獨特系統的圖像。

白矮星很小且非常熱，溫度高達28000攝氏度，是太陽溫度的5倍。相比之下，這顆行星是冰冷和巨大的，同時它近距離環繞白矮星運行，10天就能繞其運行一周。白矮星發出的高能光子正逐漸蒸發行星的大氣層。大部分氣體逸出，但也有一些被吸入一個圓盤，以每秒3000噸的速度旋轉著進入白矮星。正是這個圓盤使得原本隱藏的行星變得可見。

華威大學的Odette Toloza說：「這是第一次能夠測量圓盤中氧和硫等氣體的數量，這為研究系外行星大氣的組成提供了線索。」Toloza開發了計算白矮星周圍氣體圓盤的模型。

「這一發現也為了解行星系統的最終命運打開了一扇新的窗戶。」Gansicke說。

45億年後

這顆行星圍繞白矮星運行，距離只有1000萬公裡，是位於該白矮星半徑的15倍，而這個距離原本應該在它變成紅巨星時的內部深處。這顆行星不同尋常的位置意味著，在主恆星變成白矮星後的某一時刻，這顆行星離它更近了。

研究人員認為，這個新的軌道可能緣於引力與系統中的其他行星相互作用的結果，這意味著不止一顆行星可能在其主恆星的劇烈轉變中倖存下來。

從某種意義上說，WDJ0914+1914讓人們得以一窺太陽系遙遠的未來。「我們今天看到的白矮星曾經是一顆與太陽相似的恆星。」Schreiber告訴記者。

像太陽這樣的恆星在它們生命的大部分時間裡都在燃燒核心的氫。一旦燃料耗盡，它們就會膨脹成紅巨星，體積會增大數百倍，吞噬附近的行星。

以太陽係為例，這將包括水星、金星，甚至地球，它們都將在大約50億年後被變成紅巨星的太陽吞噬。最終，太陽會失去外層，只留下一個燃燒殆盡的核心——白矮星。這樣的恆星殘留物仍然可以作為行星的宿主，而許多這樣的恆星系統被認為存在於我們的星系中。

之前， Schreiber 和Gansicke等人曾發表論文，詳細描述了如何發射出足夠多的高能光子蒸發木星、土星、天王星和海王星。就像在WDJ0914+1914周圍看到的一樣，一些行星大氣中的氣體最終會落到變成白矮星的恆星上，並將被未來的外星天文學家觀測到。

「很少有天文學家思考圍繞垂死恆星運行的行星的命運。這一發現有力地證明，宇宙一次又一次地挑戰了我們的思維，讓我們超越既定的觀念。」Gansicke說。（來源：中國科學報 唐鳳）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1789-8

 

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