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行星被发现穿越一颗死星

来源:nature2020-09-27

nature 2020-09-27

在过去的几十年中,在太阳系之外发现的行星数量迅速增加,目前的估计是,所有类似太阳的恒星中约有三分之一拥有行星系统1。鉴于银河系包含大约一百亿颗类似太阳的恒星,因此我们的银河系中可能有数十亿颗行星。所有这些拥有行星的恒星最终都会死亡,留下被称为白矮星的燃尽残留物。目前尚不清楚这颗行星的行星系统会变成什么样,但在某些情况下,人们认为行星将生存并保留在白矮星2周围的轨道上。范德堡(Vanderburg)等人在《自然》杂志上撰文3报告发现每1.4天有一颗行星经过(过境)白矮星WD 1856 + 534。他们的工作不仅证明行星确实可以在恒星死亡中幸存,而且可以使我们瞥见我们太阳系的遥远未来。

像太阳一样的恒星将氢融合到其核心的氦气中,产生大量能量,这些能量可用来支撑自身以防止重力坍塌。恒星诞生时蕴藏着巨大的氢,但最终这种供应已耗尽。太阳已经消耗掉了大约一半的氢。当这种情况用完后,在五十亿年内,太阳以及整个太阳系的其余部分将发生根本性的变化。

当仅剩余少量氢时,聚变将继续围绕太阳核心的壳层进行。这将导致太阳的外壳膨胀到巨大的尺寸。在最大程度上,太阳的表面可能会一直到达地球的轨道,吞没水星,金星,甚至可能吞噬地球本身。然后,太阳将开始迅速将其外部信封弹出到星际空间中。太阳质量的下降将导致其他行星向外移动,远离太阳,以保持角动量。当最后一个信封被弹出时,太阳的核心将被暴露出来:一个sm煤的,地球大小的白矮星,它将在余下的时间里慢慢冷却。

在这种情况下,很明显,最接近太阳的行星很可能会被吞噬和破坏。但是,火星,小行星带和所有巨大气体行星将可能幸存下来,并停留在太阳遗骸周围变化的轨道上。更广泛地讲,我们可能期望许多白矮星拥有残留的行星系统。确实,越来越多的证据以小行星的形式出现,这些小行星徘徊在白矮星附近,然后被强烈的引力4撕裂。来自这些小行星的碎片降落到许多白矮星的表面,于是我们就可以发现它5。但是,直到现在,还没有直接检测到围绕白矮星运行的行星。

进入范德堡(Vanderburg)等人,他们使用了NASA的过渡系外行星调查卫星(TESS)任务收集的数据,以检测白矮星WD 1856 + 534的周期性变暗。这种变暗是由一颗行星在白矮星和地球之间经过引起的。因为白矮星非常小,所以行星的过渡非常:白矮星的光有56%被遮挡,而正常恒星周围的气态行星遮挡的白矮星只有1-2%。在WD 1856 + 534的情况下,过渡行星的大小类似于木星,因此直径约为白矮星的十倍(图1)。

内部太阳系和白矮星系之间的比较。范德堡(Vanderburg)等人。3报告说,木星大小的行星绕着白矮星WD 1856 + 534旋转。aa,轨道非常小-行星比白矮星的距离大约是水星与太阳的距离的20倍。白矮星以前是一颗巨大的恒星,其外层曾经远远超出了行星的轨道。这就提出了行星如何到达其当前轨道的问题。所有距离均以天文单位(au)为单位,并且巨星的大小按比例显示;其他恒星和行星的大小未按比例显示。b为了进行比较,此处显示了太阳和地球以及WD 1856 + 534及其绕行行星的相对大小。

原则上,这样的深度过境应该易于检测,因此,这种系统逃脱了这么长时间的发现似乎很奇怪。然而,小白矮星的体积也意味着短暂的短暂,在这种情况下仅持续了8分钟(相比之下,正常恒星只有几个小时)。因此,要找到这些行星,就需要对白矮星进行快速且持续的监测-由于TESSNASA的开普勒等任务,这种情况只有在过去十年才成为可能(例如,参见参考文献6)。

WD 1856 + 534的过境形状使我们对绕行行星的半径有了一个很好的了解,但Vanderburg 等人(2007年)。无法对行星的质量施加强大的约束。利用红外数据,他们计算出的上限是木星质量的14倍。这证实了轨道上的物体确实是一个行星(而不是一颗失败的恒星),但是由于未知的质量,无法确定该行星是否因其主恒星的死亡而发生了根本改变。对这颗行星进行质量和半径测量,将使我们能够将其与绕类似太阳的恒星运行的类似行星进行比较,从而可能揭示该行星过去发生的任何变化。不幸的是,在不久的将来精确确定质量的可能性很小。这是因为WD 1856 + 534太冷,无法在其光谱中产生任何吸收特征,可以对其进行分析以确定白矮星的径向速度,通常用于计算绕行行星质量的度量。

范德堡及其同事的研究提出的最大问题之一是,地球最终如何如此接近白矮星。该行星位于距离白矮星仅4个太阳半径的地方(或距离白矮星约20倍,比水星到太阳的半径大20倍)。假设内部行星系统被正在膨胀的恒星吞没,那么看来行星永远不可能一直如此靠近恒星。

范德堡等人。建议两种可能的解释。首先是行星被吞噬时撕开了膨胀恒星的外层,从而避免了破坏。第二个是几颗遥远的行星在恒星死亡后幸存下来,但是它们改变的轨道使它们彼此相互作用,于是被观测到的行星又被另一颗行星抛向白矮星。后面的解释似乎是最有可能的,并且为将来在该系统中检测额外的行星提供了诱人的前景。鉴于WD 1856 + 534距离地球仅25帕秒(82光年),因此可以通过诸如欧洲航天局盖亚太空观测站之类的任务检测到其他行星对白矮星的引力影响。因此,该系统开辟了系外行星研究的全新领域。

 


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