天体物理学

不可能的行星

在非典型恒星周围有行星,不应有任何行星。行星形成的过程是否比以前想象的更普遍?

迈克尔·沃纳和迈克尔·朱拉 对于科学N°400
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天堂最凄美的景象之一是白矮星。这样的恒星的质量与太阳的质量相当,但是它是最不明亮的恒星之一,并且亮度持续减弱。

还有更多。与我们的同事一起,我们在银河系中发现了十几个白矮星,它们围绕着小行星,彗星甚至行星旋转。换句话说,就是整个星系的墓地。

只要星星还活着,它们每天都会在这些天体的地平线上升起。他们轻轻地温暖了地面并搅动了风。生命有机体甚至可以从中受益。但是,当这些恒星死亡时,它们蒸发或吞噬了附近(或内部)的行星,只保留了那些占据遥远和冰冷边缘的行星。

随着时间的流逝,白矮星又通过潮汐作用摧毁了大多数幸存者。这些系统预示了太阳死后我们自己系统的命运。

天文学家一直认为存在绕着其他恒星运行的行星。但是他们想像到以太阳类似的恒星为中心的类似于太阳系的发现系统。但是,大约15年前,当发现开始激增时,很快就发现行星系统可能与我们的行星系统大不相同。第一个例子是51 Pegasi,它是太阳型恒星,其行星比木星重,并且其轨道小于水星的轨道。

随着仪器灵敏度的提高,甚至出现了陌生的情况。太阳型星 高清 40307是三颗质量在四到十个地球质量之间的行星的所在地,其轨道至少比水星的轨道小两倍。太阳能型恒星55 Cancri a 拥有不少于五个行星(质量范围从10到1,000个地球质量,轨道半径范围从水星的十分之一到木星的十分之一)以及一甚至两颗伴星!与真实的行星系统相比,科幻小说所想象的行星系统显得苍白……

与白矮星相关的系统表明,恒星甚至不必是太阳型的。确实,有名副其实的行星绕行星运行,而行星本身并不比行星大。这些系统的多样性与普通恒星相关系统的多样性一样大。

天文学家并不期望行星系统如此无所不在,也不希望它们的坚固性或主导其形成过程的普遍性。与我们类似的行星系统可能不是最常见的。

尽管今天它已经被人们遗忘了,但发现并确认的第一个太阳系外行星绕着与太阳截然不同的恒星运行:它是脉冲星 psr 1257 + 12,一种超稠密的恒星尸体,其质量集中在比太阳大的质量上,直径仅二十公里(我们称为中子星),并且还发出周期性的无线电信号。产生这个怪物的事件,是由20个太阳质量的恒星发生的超新星爆炸,比一个太阳型恒星的末尾要剧烈得多,而且任何行星都无法幸免。因此,第一个太阳系外行星一定是从爆炸的灰烬中诞生的。

从灰烬中崛起的系统

尽管超新星将它们的大部分碎片喷射到太空中,但是一小部分仍然受到重力的约束并向后倾斜,形成围绕恒星残留物旋转的圆盘。圆盘是行星的摇篮。包括我们的恒星系统,被认为是由尘埃和气体的无定形星际云产生的,该云在其自身重力作用下坍塌。角动量守恒定律可防止部分物质塌陷到新生恒星上,并使其形成圆盘。在后者内,灰尘和气体积聚形成行星。在超新星的残留盘中可能发生了类似的过程。

天文学家在脉冲星周围发现了第一个行星,然后发现了另外两个行星 psr 1257 + 12通过观察它发射的无线电脉冲的周期性偏差。确实,行星的引力吸引使恒星略微振荡,从而改变了脉冲必须传播的距离。尽管进行了深入的研究,但我们不知道围绕另一个脉冲星的类似系统。脉冲星 psr b 1620-26至少有一颗行星(以相同的方式探测到)。但是它离恒星太远,以致它可能不是由碎片形成的:它会被另一颗恒星撕裂。

但是在2006年,太空望远镜 斯皮策 发现了中子星4发出的意外红外辐射u 0142 + 61。它可能来自恒星的磁层或星际盘。这颗中子星是在大约100,000年前的超新星爆炸中形成的,行星聚在一起需要大约一百万年的时间。如果这种红外线辐射发出碎片盘的信号,那么该系统可能有一天类似于脉冲星的系统。 psr 1257 + 12。

菜单上的小行星

许多白矮星也有圆盘,但类型略有不同:它们背离了轨道上实际存在的物体,而不仅仅是形成它们的可能性。和星4一样u 0142 + 61,该指标是红外线发射过量。 1987年 irtf (红外望远镜设施)夏威夷茂纳基亚(Mauna Kea)顶上的,检测到白矮星产生的过量红外光 g29-38。这种多余辐射的光谱是一个温度为1,200开尔文的物体的光谱,比恒星表面低得多,为12,000开尔文。天文学家首先认为,另一个较冷的恒星绕白矮星运行。但是在1990年,他们发现红外线的发射与恒星的亮度一致,表明反射或重新发射的辐射。最可能的解释是白矮星加热了星际盘。

恒星G29-38具有另一种奇怪的性质:根据其光谱,其外层含有重元素,例如钙和铁。这是令人惊讶的,因为白矮星表面的引力场是如此之强,以至于这些元素有望沉入深处。 2003年,我们中的一个人(朱拉先生)对过量的红外线和重元素提出了简单的解释:白矮星最近粉碎了一个冒险进入太空的小行星它强烈的引力场。一连串的碰撞将碎片减少为一团尘埃,这部分尘埃落到了恒星的表面。

此后的观察证实了这种情况。地面望远镜和太空望远镜 斯皮策 已经发现了约15个白矮星,它们具有过量的红外线和类似的重元素异常。对于G29-38和其他七颗星, 斯皮策 甚至确定了光盘中存在的硅酸盐的红外发射。这些硅酸盐看起来像太阳系中的尘埃,与星际空间中的尘埃非常不同。另外,在这些白矮星的外层中未发现等量的重元素。与固态形式更稳定的元素(例如硅,铁和镁)相比,它们缺乏挥发性元素(例如碳和钠)。这种分布对应于太阳系的小行星和岩石行星的分布。所有这些线索都支持以下假设:观测到的圆盘是被还原为尘埃的小行星。

白矮星的圆盘要比产生年轻太阳型恒星周围行星的圆盘小得多。从红外辐射的角度来看,它们仅延伸超过0.01天文单位(太阳到地球的平均距离,表示为 ua )的重量不超过直径30公里的小行星,这与它们来自这种物体的分解的假设是一致的。这些不是形成行星的地方,而是指示行星物质在恒星死亡后幸存下来的指标。理论计算表明,如果类似地球的小行星和行星绕着一个以上的天文单位轨道飞行,它们可以幸免于其恒星转变为红色巨人。例如,当我们的太阳去世时,火星会没事的,而地球的命运并不确定。

白矮星 wd 2226-210让我们对可能在恒星末端幸存的行星系统区域产生了想法。这颗白矮星非常新,以至于最初的太阳型恒星喷出的外层仍然以最著名的行星状星云之一的形式可见, 螺旋星云. wd 2226-210是太阳型恒星与年长的白矮星之间的缺失环节 g 29-38。随附一个可延伸至100的多灰尘光盘 ua ,其规模可与太阳系媲美。该盘比其他白矮星的盘大得多,以至于无法由恒星引力撕裂的小行星组成。相反,它必须由小行星或彗星相互碰撞产生的碎片形成。

因此,当那颗白矮星诞生时 wd 2226-210死亡,至少一些小行星和彗星必须距离足够远才能生存。还有可能是遥远的行星 先验 更耐,也应该存活。当它冷却时,白矮星将更暗地照亮磁盘,其外部区域最终将变得不可见。但是,盘仍将继续是小行星的来源,小行星将接近白矮星,从而被减少为尘埃。

假星,真实记录

棕矮星是能够容纳行星的非太阳型恒星的第三个例子。尽管它们的名字与白矮星有很大的不同。它们不是由太阳型恒星的死亡造成的:它们是星下物体。它们开始时的形成方式与恒星的形成方式相同,但是它们的重量不到太阳的百分之八,它们的温度和密度从未达到足以使核聚变在心中继续进行的程度。最多,它们会在形成过程中以红外线辐射其积累的热量。在过去的15年中,天文学调查发现了数百个褐矮星,有时仅比木星大得多。

这些恒星,即使是最小的恒星,也可以具有圆盘,因此也可能具有行星。观察结果支持了这种可能性,这些观察表明褐矮星的圆盘经历了一系列归因于尘埃粒子聚结的系统变化(包括硅酸盐红外发射的减少)。同样的变化发生在较大的恒星盘上,标志着小行星(行星“砖”)的生长。对于像木星这样大的行星而言,褐色矮星的盘片稀疏而无法形成,但对于天王星或海王星这样的行星来说,它们已经足够了。一些团队宣布发现了棕矮星周围的行星,但是这些说法都没有得到证实。

总而言之,天文学家已经发现了至少一颗中子星周围的行星,十几个白矮星周围的小行星和彗星,并为褐矮星周围的行星形成的早期阶段提供了线索。

最终,对这些太阳系外系统的研究有两个目标。首先,更多地了解我们的太阳系,尤其是其演化和大规模结构,鉴于我们在时间和空间方面的局限性,这些特征难以研究。我们也希望将太阳系置于背景之中。是代表还是例外?行星系统的多样性是否掩盖了共同的形成过程?太阳系中小行星的构成与白矮星上的物质构成之间的相似性表明了这一点。

第二个目标是确定生命可以在多大程度上在宇宙中传播。在我们银河系附近,褐矮星与恒星一样多。最靠近太阳的“恒星”是否是仍有待发现的棕色矮星?最近的太阳系外行星是否绕着棕色矮星运行?卫星 明智的 (宽视野红外测量浏览器),由 美国航空航天局 在2009年12月,无疑会发现这些年来非常接近的棕矮星。最终,褐矮星周围的地球行星不仅扩大了可能的栖息地范围,而且还暗示着褐矮星微弱的辉光中正在发展外星生命。

同样,小矮星周围还存在小行星和彗星,这表明行星可以在太阳型恒星死亡后幸存下来。如果生命能够适应这种条件的变化,也许它将在这些死星的环境中维持生命。这样,白矮星的奇观就不会那么无望了。

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