一顆行星如何逃過(guò)紅巨星吞噬？

在死亡恒星附近的行星

大約50億年后，太陽(yáng)核心中的氫燃料將會(huì)耗盡，并膨脹成一顆紅巨星，體積比現(xiàn)在大100多倍。在此過(guò)程中，它將吞沒(méi)水星、金星，甚至可能吞沒(méi)地球。隨后，太陽(yáng)會(huì)拋掉外層物質(zhì)，只留下一個(gè)熾熱而致密的核心，也就是白矮星。

事實(shí)上，太陽(yáng)的結(jié)局并不特殊。包括太陽(yáng)在內(nèi)的大多數(shù)恒星，終有一天都會(huì)經(jīng)歷類似的晚年演化：先膨脹成紅巨星，隨后留下白矮星遺跡。近年來(lái)，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾顆圍繞白矮星運(yùn)行的行星候選。這意味著，行星并不一定會(huì)在恒星晚年的劇烈演化中被吞噬或摧毀；有些行星可能完整地熬過(guò)這一過(guò)程，繼續(xù)圍繞恒星殘骸運(yùn)行。

2020年，天文學(xué)家利用凌星系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）和斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡（SST），發(fā)現(xiàn)了一顆氣態(tài)巨行星WD 1856 b。它正圍繞距離地球約80光年的白矮星WD 1856+534運(yùn)行。這是天文學(xué)家所知道的最奇特的行星系統(tǒng)之一：因?yàn)橥ǔ?lái)說(shuō)，大多數(shù)行星都小于它們所繞行的恒星，但WD 1856 b的半徑卻約為WD 1856+534的8倍，而且它的軌道極其靠近白矮星，每1.4天就完成一次公轉(zhuǎn)。

自首次發(fā)現(xiàn)以來(lái)，天文學(xué)家就困惑于它究竟是如何在恒星劇烈的死亡過(guò)程中幸存下來(lái)的。如今，天文學(xué)家首次利用韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）測(cè)量了這顆行星的大氣、質(zhì)量和溫度。新的觀測(cè)結(jié)果或許終于可以解釋為何這顆行星能夠不可思議地逃過(guò)毀滅。研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表于近期的《自然》雜志上。

不可能的軌道

關(guān)于WD 1856 b究竟是如何來(lái)到今天這個(gè)位置的，目前有兩種理論：一種觀點(diǎn)認(rèn)為，這顆行星在主星死亡過(guò)程中曾被吞沒(méi)但奇跡般幸存下來(lái)；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，它的軌道遷移是由系統(tǒng)中其他天體的引力作用造成的。這顆白矮星是一個(gè)三星系統(tǒng)的一部分，外圍的伴星可能影響了WD 1856 b的軌道。

為了檢驗(yàn)這些可能性，研究團(tuán)隊(duì)利用JWST捕捉了WD 1856 b從其恒星前方經(jīng)過(guò)的過(guò)程，即所謂的“掠凌”：行星最外側(cè)的上緣與恒星發(fā)生部分重疊。這次凌星為研究人員提供了關(guān)于這顆行星質(zhì)量和溫度的獨(dú)特信息，并估計(jì)其質(zhì)量約為木星的4到11倍。與此同時(shí)，恒星光穿過(guò)行星大氣時(shí)，也攜帶了關(guān)于其大氣化學(xué)組成的信息。

在凌星過(guò)程中，來(lái)自白矮星的光被部分遮擋，但紅外光被遮擋的程度小于其他波長(zhǎng)的光。這一差異來(lái)自行星自身熱量所發(fā)出的紅外輻射。數(shù)據(jù)顯示，這顆行星的溫度約為400開(kāi)爾文，也就是126攝氏度。這一溫度比預(yù)期的要熱得多——如果它唯一的熱源是白矮星發(fā)出的光，那么它的溫度應(yīng)當(dāng)?shù)图s240度。

不過(guò)，這一令人困惑的發(fā)現(xiàn)，成為判斷這顆行星如何抵達(dá)當(dāng)前軌道的關(guān)鍵線索。研究人員意識(shí)到，如今這個(gè)系統(tǒng)中并不存在足以產(chǎn)生這些熱量的能量來(lái)源，因此，這些熱量必定是早期某次加熱事件遺留下來(lái)的余熱。當(dāng)時(shí)，這顆行星可能曾被紅巨星吞沒(méi)，也可能是在向內(nèi)遷移的過(guò)程中被加熱。

研究團(tuán)隊(duì)利用巨行星隨時(shí)間冷卻的模型，并結(jié)合JWST提供的行星質(zhì)量和當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)，得以將其溫度變化向過(guò)去回推，并推斷出加熱事件大約發(fā)生在多久以前。他們的結(jié)論是：這次加熱最可能發(fā)生在恒星變成白矮星后的30億到55億年之間。在這種情景下，WD? 1856 ?b最初可能位于一條較遠(yuǎn)的安全軌道上繞其宿主星運(yùn)行，因而才能在宿主星經(jīng)歷破壞性的紅巨星階段時(shí)能得以保持安全；在其宿主星死亡數(shù)十億年后，它才逐漸遷移到如今的位置。

在這顆行星向內(nèi)遷移的過(guò)程中，它與白矮星強(qiáng)大引力之間的相互作用，使它顯著升溫。從那以后，它便一直在冷卻。

死亡并非終點(diǎn)

除了推斷這顆行星最可能如何幸存下來(lái)之外，透射光譜還揭示了其大氣中存在某些分子的跡象。他們捕捉到了小云顆粒和碳?xì)浠衔?/strong>的典型信號(hào)，其中碳?xì)浠衔镒羁赡苁羌淄椤＿@是天文學(xué)家首次分析了一顆繞白矮星運(yùn)行的行星的大氣。

JWST在系外行星WD 1856 b凌掠其宿主星時(shí)，測(cè)量了其大氣成分，并發(fā)現(xiàn)甲烷跡象。（圖/NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)）

此后，研究人員又用JWST觀測(cè)了WD 1856 b的另外四次凌星，以便更深入地研究它的大氣化學(xué)組成。

這個(gè)行星系統(tǒng)為太陽(yáng)系的遙遠(yuǎn)命運(yùn)提供了一個(gè)預(yù)演。它表明，太陽(yáng)系并不會(huì)在太陽(yáng)死亡時(shí)就畫(huà)上句號(hào)，而可能在此后的數(shù)十億年里繼續(xù)演化。

研究人員表示，這只是天文學(xué)家利用JWST探索圍繞死亡恒星運(yùn)行的行星的開(kāi)始，尋找更多圍繞白矮星運(yùn)行的行星仍在繼續(xù)。這些新的結(jié)果表明，恒星死亡并不是終點(diǎn)——有些行星會(huì)在其恒星死亡后，迎來(lái)一個(gè)充滿活力的未來(lái)。

#參考來(lái)源：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10514-7

https://www.eurekalert.org/news-releases/1133541

https://www.eurekalert.org/news-releases/1133896

https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-studies-how-planet-survived-death-of-its-star/

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Webb/Webb_studies_how_a_planet_survived_the_death_of_its_star

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：NASA, ESA, CSA, R. Crawford (STScI)