一顆"死里逃生"的木星，它是如何躲過恒星死亡的?

大多數恒星，包括我們的太陽，終將演化成紅巨星，再進一步坍縮成一顆白矮星。在這個過程中，恒星周圍的行星大多難逃被吞噬或被"甩飛"的命運。但天文學家發現，有一顆木星大小的行星，似乎頑強地在白矮星身邊活了下來，而且活得"很不正常"。

最近，一個國際團隊用詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）首次給這顆行星"體檢"，結果讓這個本就詭異的系統變得更加離奇。

01

—一個意外的發現

WD 1856 b 的發現純屬意外。2020 年，天文學家用 TESS（凌日系外行星巡天衛星）對大約 2000 顆白矮星進行觀測。白矮星是太陽這類恒星演化到生命盡頭后留下的殘骸，它們已經經歷過紅巨星階段的膨脹，最終坍縮成一個地球大小、主要由碳和氧組成的致密天體。TESS 團隊原本只是想在這些"恒星尸體"周圍找一些小天體，比如彗星或小行星凌星的信號。

結果，他們在 WD 1856 系統里發現的，是一顆氣態巨行星。

圖源：NASA/ESA

"他們一看到這個信號就說，好家伙，這也太奇怪了。"論文合著者、康奈爾大學理論天體物理學家 Christopher O'Connor 說。

這顆白矮星的體積，比繞著它轉的這顆氣態巨行星要小七倍左右。按理說，行星每次從白矮星前方經過時，恒星的亮度應該幾乎完全被遮擋；但實際觀測到的凌星深度只下降了大約一半。O'Connor 認為，原因是一次"掠食性凌星"（grazing transit），行星只是用自己圓盤的邊緣，擦過了白矮星的邊緣。"這是一個非常小概率的觀測角度，"他說，"但這是唯一能解釋我們看到的現象的方式。"

更讓人費解的是，這顆行星目前的軌道半徑只有約 0.02 天文單位（合每 1.4 天繞轉一圈），這完全違背了我們對"恒星死亡如何重塑行星系統"的常規認知。"當恒星膨脹成紅巨星時，它會吞掉內側的行星，"O'Connor 解釋道。而在坍縮成白矮星的過程中，恒星會損失大約一半的質量，引力隨之減弱，"外側的氣態巨行星理論上應該向外遷移，軌道半徑大約擴大一倍。"

但 WD 1856 b 并沒有向外遷移，它反而離恒星更近了。

這個發現一經公布，立刻在學界掀起了軒然大波。"這一下子把理論天體物理學家們都'點燃'了，"O'Connor 說，"當你發現一個東西完全反常、完全不該出現在那個位置、完全無法用以往的理論框架解釋時，那正是宇宙在邀請你放開思路去想象。"

不過，在"放飛想象"之前，科學家們首先需要更多的數據。于是，O'Connor 所在的團隊申請了詹姆斯·韋布空間望遠鏡的觀測時間，準備近距離看看WD 1856 系統里究竟發生了什么。

02

—八分鐘的光

這次觀測的視角和恒星與行星之間懸殊的尺寸差異，給數據分析帶來了一個棘手的技術難題：傳統的系外行星透射光譜方法，默認較小的行星會完整地投影在更大恒星的圓面上，形成一個規規矩矩的"剪影"。但WD 1856 系統顯然不是這種情況。

為了解決這個問題，研究團隊重新推導了一套數學表達式，把透射光譜表示為行星圓面與恒星圓面之間"隨時間變化的重疊面積"。隨后，他們對 POSEIDON（一款用于根據 JWST 數據重建系外行星大氣的開源反演軟件，由論文第一作者 Ryan MacDonald 開發）進行了改造，使其能夠處理這種"掠食性凌星"的幾何構型，并同時考慮行星"夜面"熱輻射對凌星深度的污染效應。

經過一番復雜的數值計算，WD 1856 b的大氣成分浮出水面，結果頗為出人意料：

大氣中探測到烴類物質，尤其是甲烷（CH?），置信度達到約4σ，是主要貢獻者（甲烷豐度約 2%–20%，中位值約 7%），對應約100倍太陽金屬豐度的碳元素富集；

大氣中存在氣溶膠/霧霾，置信度約5σ量級，導致短波方向散射斜率明顯增強；

最關鍵的是探測到了極強的"夜面"熱輻射信號（置信度高達十幾個 σ），這意味著這顆行星本身在發光發熱。

而且，這顆行星的溫度，遠遠超出了研究團隊的預期。據測算，WD 1856 b 向外輻射的能量，大約是它從這顆"熄滅"了的恒星那里接收到的能量的 25 倍。要知道，按照白矮星的冷卻年齡推算，這顆恒星"死去"已經大約 60 億年了，可這顆行星依然在發著微光。

這種反常的高溫，在 O'Connor 看來，恰恰揭示了 WD 1856 b 不為人知的過往。

03

—高燒不退

"我們原本以為這顆行星大概會和木星差不多熱，但結果并非如此。"O'Connor 說。按照白矮星已經冷卻了約 54 億年、行星軌道半徑只有 0.02 天文單位來計算，WD 1856 b 的理論平衡溫度應該在 150–200 開爾文之間，和木星云頂的溫度相當。可實際測得的有效溫度卻高達約 390–412 開爾文（中心值約 400 K）。"不管是什么原因讓這顆行星發光發熱，它一定是來自內部產生的熱量，而不只是單純反射恒星的能量。"O'Connor 說。

研究團隊排除了這顆行星單純依靠"形成之初殘余熱量"的可能性——按照這個質量（反演得到的行星質量為 4.3–10.9 倍木星質量），經過近百億年的被動冷卻，它早該"冷"下來了。氘聚變、潮汐加熱等常見的內部能量來源，也都因質量或軌道構型不匹配而被逐一排除。也就是說，這顆行星必定在歷史上的某個時刻被"重新加熱"過一次。

研究團隊利用亞恒星天體的理論冷卻模型，把這顆行星的當前溫度"倒推"回去，試圖找出這次"加熱事件"究竟發生在什么時候。而這個時間點，恰恰能幫助他們判斷，WD 1856 b 究竟是通過哪種方式，最終落到了如今這個"貼身"軌道上。

關于這一點，團隊原本提出了兩種相互競爭的理論假設：

共同包層演化（common-envelope evolution）：行星原本就處在較近的軌道上，在恒星膨脹成紅巨星、把行星"包裹"進恒星外層大氣時僥幸survived，并伴隨恒星外層被拋射，最終"鉆出"恒星包層，緊貼著裸露的恒星核（即如今的白矮星）殘留下來。這個過程理應發生在紅巨星階段（即漸近巨星支，AGB 階段）結束前后。

高偏心率遷移（high-eccentricity migration）：行星原本處在更遠的軌道上，由于與該系統中另外兩顆遙遠的伴星發生引力擾動，軌道偏心率被不斷"攪亂"，行星隨后經歷了漫長的、跌宕起伏的近距離掠過—潮汐耗散—軌道圓化的過程，歷經數十億年才逐漸遷移到目前的位置。

這兩種情景在時間線上有一個關鍵區別：共同包層演化必然發生在紅巨星階段（AGB 階段）剛剛結束的那個時間點附近——對 WD 1856 而言，大約是 54 億年前；而高偏心率遷移則可能發生在白矮星形成之后的任意時刻，時間跨度可以長達數十億年。

把行星當前的溫度代入冷卻模型反推，研究團隊發現：這次"重新加熱"事件，發生在恒星紅巨星階段結束之后的 30 億至 55 億年之間（具體而言，兩種獨立數據處理流程分別給出約 4.2 Gyr 和 4.6 Gyr 的中心估計值），這個時間點，已經遠遠晚于共同包層演化所允許的窗口。

"我們認為，這顆行星現在的溫度，是它當年遷移過程中殘留下來的熱量，"O'Connor 說，"而根據時間推算，這種升溫只可能來自與伴星之間的引力相互作用，也就是高偏心率遷移。"

不過，這個結論也有一個需要正視的"但是"。

04

—尋找幸存者

用來做溫度反推的冷卻模型，原本是為"木星式"大氣成分的天體設計的，在那類模型里，甲烷大約只占大氣的 0.3%。而 WD 1856 b 大氣中的甲烷含量卻高達約 7%，是常規木星型行星的二十多倍。由于甲烷是一種非常強效的溫室氣體，這種成分上的巨大差異，有可能會讓現有冷卻模型給出的結果產生系統性偏差。

O'Connor 表示，想要真正搞清楚這顆"幸存行星"的演化歷史，可能還需要專門針對 WD 1856 b 這種富碳、高金屬豐度大氣的天體，重新構建一套冷卻模型。"這將是一項相當艱巨的工作。"他說。不過，這樣的努力或許很快就會有所回報。

WD 1856 距離地球只有約 75 光年，在宇宙尺度上幾乎是我們的"鄰居"。這種超近的距離，在 O'Connor 看來本身就是一個信號："能在離我們這么近的地方發現一個這樣的天體，恰恰暗示著，宇宙中可能還有大量類似的'恒星死亡幸存者'等待被發現。"

而在展開更大范圍的搜索之前，研究團隊首先想把WD 1856這個系統本身研究得更透徹。

"我們其實已經對這個系統做了新一輪的JWST觀測，是在這篇論文提交之后很久才進行的。"O'Connor 說，"可以說，我們的研究才剛剛開始。"

參考

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