日前，來自英國、智利和德國的天文學(xué)家團(tuán)隊在《自然》雜志刊文稱，首次發(fā)現(xiàn)了圍繞一顆白矮星（名為 WDJ0914+1914）旋轉(zhuǎn)的巨行星的證據(jù)。這個“偶然的發(fā)現(xiàn)”，或讓我們得以管窺太陽系 50 億年后走向滅亡時的面貌，以及地球可能的宿命。一起聽聽中國科學(xué)院國家天文臺趙景昆研究員怎么說～

想象圖描繪出新發(fā)現(xiàn)的恒星系統(tǒng)，有塊行星碎片繞著白矮星公轉(zhuǎn)。ILLUSTRATION BY UNIVERSITY OF WARWICK/ MARK GARLICK

　　Q：什么是白矮星，它是如何形成的？

　　A：白矮星是一種低光度、體積小、高密度的恒星，是質(zhì)量小于 8 個太陽質(zhì)量的恒星的最終歸宿。它的內(nèi)部已經(jīng)停止了核反應(yīng)，又稱為死亡的恒星，只能依靠電子簡并壓力來抵抗本身的重力。隨著時間的推移，它不斷的冷卻，最終形成黑矮星。銀河系中超過 95% 的恒星最終都會演化為白矮星。

　　中低質(zhì)量的恒星會經(jīng)歷一個漫長的主序階段，此階段依靠核心的氫燃燒來提供能量。核心的氫燃燒完之后，變成了含氦的核。這個核由于沒有內(nèi)部輻射壓而收縮，收縮產(chǎn)生的熱量點(diǎn)燃了周圍殼層的氫。殼層的氫點(diǎn)燃之后進(jìn)一步壓縮核心，并導(dǎo)致核心溫度急劇上升，外層迅速擴(kuò)張，這就是紅巨星分支。等到核心壓縮到超過一億攝氏度之后，核心的氦被點(diǎn)燃開始核聚變形成碳和氧，這個點(diǎn)燃的過程叫“氦閃”。氦閃之后核心開始膨脹，形成了核心燒氦外層燒氫的巨星，這時候叫做水平分支巨星。此時由于核心膨脹導(dǎo)致了溫度不再上升，所以恒星反而不再膨脹，光度也略有下降。水平分支繼續(xù)發(fā)展直到內(nèi)核積累了足夠的碳和氧，碳和氧繼續(xù)失去輻射壓力而收縮升溫，外面包裹著氦聚變和氫聚變兩層包層，此時恒星又開始升溫，繼續(xù)膨脹，變成紅超巨星，此時叫做漸進(jìn)巨星支。如果質(zhì)量不足以點(diǎn)燃碳聚變，那么很快整顆恒星就會變得不穩(wěn)定，外層開始損失質(zhì)量，最后外層散逸，只留下無法繼續(xù)核聚變的碳氧核收縮成簡并態(tài)，這就是白矮星。

　　Q：這次發(fā)現(xiàn)都有哪些不同尋常之處？

　　A：這項研究中的白矮星是從斯隆數(shù)字巡天光譜證認(rèn)的 7000 顆白矮星中發(fā)現(xiàn)的，而且僅此一顆。理論推斷，在白矮星光譜中發(fā)現(xiàn)巨行星信號的概率非常低，僅為萬分之一。這個白矮星系統(tǒng)初始被錯誤的分類為一個密近雙星白矮星系統(tǒng)，后來經(jīng)過對光譜仔細(xì)檢查，才發(fā)現(xiàn)了它的特殊之處，所以我們可以說這是一個偶然的發(fā)現(xiàn)。

斯隆數(shù)字巡天利用位于美國新墨西哥州的 2.5 米口徑望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行巡天觀測

　　說它特殊，是因為研究小組在斯隆數(shù)字巡天提供的低分辨率光譜中發(fā)現(xiàn)了氧的發(fā)射線和可能的硫的發(fā)射線。后來經(jīng)過歐洲南方天文臺的X-shoot 儀器對這顆白矮星進(jìn)行的后繼觀測，證實(shí)了氧和硫的存在，而且還發(fā)現(xiàn)這些元素來自于圍繞白矮星旋轉(zhuǎn)的氣體盤，而非白矮星本身。最終通過豐度分析，研究小組發(fā)現(xiàn)氧和硫的含量類似于在冰質(zhì)巨型行星如海王星和天王星的深層大氣層中發(fā)現(xiàn)的含量。因此，推斷出產(chǎn)生這種氣體盤的唯一的可能是來自于圍繞白矮星旋轉(zhuǎn)的巨行星。

　　Q：為什么到現(xiàn)在才首次發(fā)現(xiàn)圍繞白矮星旋轉(zhuǎn)的巨行星的證據(jù)？尋找的過程要面臨哪些困難？

　　A：首先白矮星因為體積小，光度暗，光譜獲得較困難。在斯隆數(shù)字巡天之前，光譜證認(rèn)的白矮星數(shù)量僅僅為 2000 個。近年來斯隆數(shù)字巡天光譜證認(rèn)的白矮星數(shù)量才達(dá)到約 30000 個，所以說，直到最近 10 多年，才有了較豐富的白矮星目標(biāo)源。

　　另外，白矮星光譜上的巨行星的信號相對較弱，通常不易發(fā)現(xiàn)。WD1914+0914 這顆白矮星起初也被錯誤的認(rèn)為是一個密近交互雙星，后來經(jīng)過對光譜仔細(xì)檢查，才發(fā)現(xiàn)了它的特殊之處。

　　最后，化學(xué)成分的最終確定以及豐度分析，需要大望遠(yuǎn)鏡的后繼觀測，這些大望遠(yuǎn)鏡的觀測時間寶貴，申請相對較困難。以上因素對發(fā)現(xiàn)白矮星存在巨行星的證據(jù)帶來了困難。

恒星演化略圖

　　Q：這次發(fā)現(xiàn)會給恒星、行星演化等相關(guān)研究帶來新線索嗎？

　　A：在這次發(fā)現(xiàn)過程中，研究小組成員開發(fā)了計算白矮星周圍氣體圓盤的模型，這是人們第一次能夠測量圓盤中氧和硫等氣體的數(shù)量，這為研究系外行星大氣的組成提供了線索。

　　這項發(fā)現(xiàn)同時也拓展了氣態(tài)巨行星的存在時標(biāo)和演化軌跡，為我們揭示了類海王星質(zhì)量的行星，在其主星演化到白矮星階段后仍然存在的證據(jù)，也在某種程度上預(yù)示了我們太陽系中的巨行星的演化歸宿。

　　另外，通常認(rèn)為，在恒星脫離主序演化為紅巨星的過程中，會吞噬它的行星系統(tǒng)。在該項研究之前，還沒有觀測證據(jù)表明有一顆巨行星能在恒星轉(zhuǎn)變?yōu)榘装堑倪^程中幸存下來。所以此項研究不但揭示了恒星的殘留物白矮星仍然可以擁有行星，而且通過行星的軌道分析暗示白矮星可能擁有多顆行星。

　　Q：此次是通過分析白矮星中的氣體，發(fā)現(xiàn)了這顆行星，如果行星上有大量氧氣，是不是也暗示白矮星周圍可能會存在擁有生命的行星？

　　A：現(xiàn)有的理論認(rèn)為，類似我們地球上的碳基生命的存在，不僅需要氧氣，還需要適宜的溫度、穩(wěn)定的大氣層，以及液態(tài)水作為發(fā)生生命化學(xué)反應(yīng)的溶劑。在此項發(fā)現(xiàn)中，由于白矮星的輻射，巨行星的大氣層被持續(xù)的吹走，不利于形成穩(wěn)定的大氣結(jié)構(gòu)和持久的溫室效應(yīng)。

　　同時，由于這顆白矮星演化過程中曾經(jīng)經(jīng)歷過巨星階段，因此可能已經(jīng)吞并和摧毀了其周圍的多數(shù)行星系統(tǒng)。殘存的這顆巨行星可能處于較遠(yuǎn)的軌道上，才一直存活到了白矮星階段。在如此“嚴(yán)酷”的環(huán)境中，生命存在的希望非常渺茫。

　　不過，由于白矮星演化的時間尺寸非常長，在如此漫長的時標(biāo)下，理論上不能排除其周圍行星系統(tǒng)中曾經(jīng)有過或者未來能演化出適宜生命存在的環(huán)境。

太陽系

　　Q：此次發(fā)現(xiàn)對預(yù)測太陽系的未來有何意義？

　　A：太陽目前大概年齡為 40 億年，再過 50 億年后，它將脫離主序，演化成一個紅巨星，最終的歸宿也是一顆類似 WDJ0914+1914 的白矮星。因此，這個發(fā)現(xiàn)對我們預(yù)測太陽系的未來具有指導(dǎo)意義。

　　太陽演化成紅巨星后，將吞噬水星、金星和地球，但是火星、小行星帶、木星和太陽系中的其他行星將在其軌道基礎(chǔ)向外擴(kuò)張。在太陽成為白矮星后，仍然可以作為行星的宿主，火星，小行星帶和木星將會圍繞它運(yùn)轉(zhuǎn)。在行星運(yùn)行的過程中，它們可能被已成為白矮星的太陽巨大的引力吸引過去。此時，太陽發(fā)出的輻射可能會非常強(qiáng)大，足以蒸發(fā)掉目前正在運(yùn)行的木星、土星和天王星的大氣層，最后剩下來的可能只有它們的巖石核心。

　　受訪專家

　　趙景昆：中國科學(xué)院國家天文臺研究員，研究方向銀河系結(jié)構(gòu)及其化學(xué)演化，白矮星

　　趙斐：中國科學(xué)院國家天文臺助理研究員，研究方向包括系外行星搜尋、激光頻率梳和宜居帶模型

　　撰稿：肖春芳

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的这颗不同寻常的星或揭露太阳系未来面貌的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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