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Oct. 25 2021

這顆繞行白矮星的行星或許揭示了太陽系的最終命運

  • 天文學家最近發現了一顆繞行白矮星的氣態巨行星,讓我們得以一窺太陽膨脹成紅巨星,並摧毀大部分內行星後的太陽系面貌。ILLUSTRATION BY ADAM MAKARENKO, W. M. KECK OBSERVATORY

    天文學家最近發現了一顆繞行白矮星的氣態巨行星,讓我們得以一窺太陽膨脹成紅巨星,並摧毀大部分內行星後的太陽系面貌。ILLUSTRATION BY ADAM MAKARENKO, W. M. KECK OBSERVATORY

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這顆木星大小的世界差點被膨脹的垂死母恆星毀滅──大約50億年後,我們的太陽也可能邁向相同的結局。

這顆比我們更靠近銀河系中心、距離約6500光年遠的氣態巨行星,也許是銀河系中最幸運的一顆行星,因為它的母恆星在邁向死亡時,差一點點就將它毀滅。

這顆行星和它的母恆星扭曲了背景的星光,讓天文學家得以發現它們,並發表於2021年10月13日出版的《自然》(Nature)期刊上。這顆幸運的遙遠行星和木星差不多大,它的母恆星曾與我們的太陽類似,但現在已成為昏暗的白矮星,是僅有地球大小的微小恆星殘骸。這顆恆星在老化時膨脹成紅巨星,然後塌縮成緻密的白矮星──這個過程很容易摧毀繞行的行星。

「要失去這顆行星相當容易,」並未參與此項研究的加州理工學院天文學家朱麗葉.貝克(Juliette Becker)表示:「但它很可能勉強逃過了毀滅的命運。」

若這顆行星距離它的母恆星再近一些,就可能會面臨眾多悲慘結局,比如被燒成灰燼,或者被撕碎──當垂死的太陽膨脹成紅巨星時,地球終究會面臨其中一種命運。科學家推測,我們的太陽在燃燒殆盡後,周遭的情形就會與此系外行星系統相去不遠。

這篇研究的作者──美國航太總署(NASA)戈達太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)的大衛.貝內特(David Bennett)表示:「這個系統非常類似我們所預期的太陽系最終狀態。」

此系統也幫助科學家了解行星在母恆星劇烈死亡後還能倖存的機率。俄亥俄州立大學的天文學家史考特.高第(Scott Gaudi)表示,若事實證明完整的行星在白矮星周圍很常見,那麼「〔宇宙中的〕行星將比我們想像的還要更多。」

「這表示到目前為止,我們可能低估了銀河系中的行星數量,」他說:「在系外行星領域,我們會開玩笑說,每次你把石頭翻過來,都會發現一顆新行星。」

走出輝煌

隨著恆星年齡的增長,會耗盡氫氣來供給核心的核熔爐,引發一連串對繞行行星非常危險的事件。太陽在約50億年後也會如此,到那時地球就有麻煩了。

少了氫的太陽將慢慢地膨脹成紅巨星,當它膨脹時,會吞沒並燒毀水星,下一個遭殃的是金星。就算地球僥倖躲過焚毀的命運,也一定會被恆星的重力撕裂。火星可能離得夠遠,而能倖存下來。在太陽系外側的四顆巨行星會被向外推,極有可能進入更遠的軌道──雖然在某些特殊情況下,它們可能會被完全拋出太陽系外,或甚至被甩進太陽。

「隨著恆星的演化,系統中的行星可能會面臨很多非常奇怪的事情。」貝克說:「這個過程相當劇烈,尤其是對於系統內側的行星。」

太陽在膨脹成紅巨星約10億年後,將塌縮成一團緻密的恆星屍體──質量約為原始質量一半的白矮星,且擠壓成與地球大小相近的球體,這個過程可能也會對附近的行星造成大災難,任何倖存的行星都會置身於看來與先前大不相同的環境之中。即使這四顆巨行星撐過去了,也很有可能在接下來數十億年中與其他恆星交會而消失無蹤。

在煉獄中生存

雖然天文學家推測行星能在母恆星混亂死亡時倖存,但目前尚未發現太多行星真正度過大災難的例子。這個在2010年新發現的系統,是科學家藉由「天文物理重力微透鏡觀測」(Microlensing Observations in Astrophysics)合作首度發現,當時倖存的行星和白矮星移動到更遠背景恆星的正前方。

這種排列使得它們的重力放大並扭曲遙遠的星光,產生天文學家所稱的「微透鏡事件」。到目前為止,微透鏡已經揭露了約90顆系外行星的存在,其中還包括了一些自由漂浮的行星,也就是已經從它們的母恆星旁溜走,並獨自在銀河系內漫遊的流浪行星(rogue planet)。

巨行星和白矮星彎曲背景星光的精確方式,使我們得知該系統的幾個關鍵特徵,包括它在天空中的運動、恆星和行星的存在,及行星的遙遠軌道。觀測結果還幫助天文學家計算出兩個物體的相對質量。這個名為MOA-2010-BLG-477Lb的系統引起了天文學家的興趣──但他們必須等上幾年,才能進行更仔細的觀測。

「當(微透鏡)事件發生時,很難區分出前景恆星和背景恆星,因為它們必須彼此重疊,」貝內特說:「所以我們得要等它們分開。」

在2015 年時,貝內特和他的同事使用夏威夷茂納開亞火山(Mauna Kea)頂上強大的凱克二號(Keck-II)望遠鏡尋找這顆恆星。他們知道此系統在這五年裡會走多遠,所以他們將凱克望遠鏡瞄准目標,凝視著黑暗深處,但卻沒有發現任何與他們正在尋找的恆星相似的天體──只有另一顆朝著錯誤方向移動的恆星。

研究團隊在2016年和2018年再次重複進行觀測,可是兩次都沒有結果。他們根據扭曲的星光,知道這個系統必定存在此處。無法觀測到天體的事實讓貝內特和他的同事知道,他們正在尋找的天體是如此黯淡,以至於連凱克望遠鏡都無法看見它。

「我們知道它必定是顆比太陽質量稍小的暗星,而白矮星是個顯而易見的選擇。」貝內特說。

研究團隊在進行了更多計算後得到結論,這個系統包括了一顆木星質量的行星和一顆質量約為太陽一半的白矮星。這顆行星的軌道與母恆星的距離,至少是地球繞太陽距離的2.8倍,大概和我們太陽系的小行星帶位置差不多。

「這顆行星的位置就在我們預期會形成巨行星的地方,」高第說:「並且表示這些與木星類似的行星,能夠在類太陽恆星的演化過程中倖存下來。」

不知為何,這顆巨行星所處的位置恰到好處,逃過了母恆星變化所造成的致命後果──這個距離不但取決於垂死的恆星,還與行星的特徵及其他可能處於同一系統內的行星運動有關。

尋找更多繞行白矮星的行星

先前天文學家就已經發現了行星繞行白矮星的證據,但都與這次的新發現完全不同。2019 年,跨國天文學家團隊在一顆白矮星周圍發現了一個充滿氣體的殘屑環,他們推測在這些碎片內可能有一個小而緻密的行星殘骸,而這個被摧毀的世界或許就是地球未來無法逃避的宿命。此外他們還發現了其他幾個可能是由不幸行星和小行星碎片殘骸所形成的碎屑盤。

去年,另一個使用NASA「凌日系外行星巡天衛星」(TESS)行星搜尋儀器的團隊,發現了另一顆候選巨行星以僅34小時的短週期繞行白矮星。貝克說,這顆行星離它的母恆星如此近,它「肯定會在紅巨星階段被吞沒。」 他說:「這表示它一定是在恆星變成白矮星後,才遷移到目前的位置。」

此外,在過去的20年裡,科學家們在觀測白矮星時,也發現了化學元素的痕跡──被吞沒的岩質行星碎屑。

除了新發現的系統外,所有的觀察結果都顯示,有些行星可以在其母恆星演化過程中的轉變倖存下來──至少在一段時間內是如此。但我們還不清楚,要如何決定一顆行星是生存或毀滅的過程。

NASA的南西.葛莉絲.羅曼太空望遠鏡(Nancy Grace Roman Space Telescope)計畫於2020年代中期發射,到那時應該會發現大量繞行白矮星的行星。隨著天文學家發現更多環繞死亡恆星的行星,我們將更了解恆星的死亡過程會如何改變行星系統的結構,也讓我們能夠一窺太陽系的未來命運。

 

延伸閱讀:若「第九行星」真的存在,它可能比想像中更近也更容易發現!火星探測車毅力號首度採樣,樣本卻化為粉末與碎塊

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