太陽系外行星的借屍還魂

2021-02-15 天文愛好者雜誌

縱然太陽系外行星充滿了神秘,但它們的遺存正在為它們的一生提供線索。在過去的十年裡,天文學家找到了一個辦法可以從內而外地來探測太陽系外行星的內部。這些觀測可以提供更多有關它們成分的詳細信息。

在太陽系中,科學家們事實上還沒有辦法來窺視行星的內部。即便我們就站在地球上,但對於地球成分中的70~80%仍不清楚。這並不是說科學家們對地球的組成茫然無知。通過研究密度和磁場以及隕石,可以提供行星的大量信息。但你無法挖穿到地球的核心並直接探測地球的圈層結構。

圖2  在太陽系中,科學家們事實上還沒有辦法直接窺視行星的內部。但在太陽系之外,研究一顆被白矮星摧毀的類地球行星的內部成分要比從表面往其深層鑽探容易得多。版權:NASA。

不過,有一個辦法能攻克這個難題來研究太陽系外行星。不用探測行星本身,天文學家研究的是白矮星,它們是類太陽恆星的遺存,有著與太陽相當的質量,但卻只有地球的大小。一些白矮星已經蠶食了曾經環繞它們的行星。

在一顆類太陽恆星生命的終點,當它無法再聚變氦時,就會膨脹成為一顆巨大的紅巨星,然後拋射出外部包層形成行星狀星雲。剩下的部分則會坍縮成一顆白矮星。這些恆星遺存無法再聚變元素,但極高的密度和遺留的熱量使得它們要花數十億年的時間才能冷卻。

不同於恆星,白矮星的大氣相當原始。天文學家僅探測到了位於其頂部的氫以及偶有的氦。其他物質會快速下沉。因此,當科學家看到有被碳或氮汙染的白矮星大氣層時,就知道必定有東西掉落到了它們之上。於是,白矮星就像一張白紙,當有東西落上去時,我們就能看到它的組成。

白矮星也是個貪吃的食客。只要物質太過靠近它,就會被它的強大引力撕碎。無論由什麼組成,物質只要被束縛在白矮星的引力場中,最終都會被白矮星吞食。

這正是科學開始的地方。對白矮星外層的探測發現了它們在10000~100000年前所吃下的物質。白矮星的周圍環繞著殘骸盤。最近,天文學家在一顆白矮星周圍發現了一顆正在瓦解的穀神星大小的小行星,表明其大氣中大量的物質就來自這顆被摧毀的小行星。

圖3 被白矮星引力解體的行星和小行星其殘骸會形成一個環繞白矮星的殘骸盤。在一顆白矮星周圍發現了一顆正在瓦解的穀神星大小的小行星,它會用自己所攜帶的元素汙染白矮星的大氣。版權:Mark A.Garlick/space-art.co.uk/University of Warwick。

由於白矮星會撕碎環繞它們的任何天體,因此很難區分這些物質是來自一顆行星還是一顆小行星。但在過去的十年裡,對白矮星的觀測發現水普遍存在於這些垂死的系統中,說明它們也吞食了行星。

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