韦布望远镜观测到白矮星系外行星，窥见太阳系 60 亿年后命运

IT之家 7 月 5 日消息，天文学家借助詹姆斯 · 韦布空间望远镜（JWST），观测到一颗奇特的气态巨行星系外行星，它环绕一颗距离地球约 80 光年的死亡恒星 —— 白矮星运行。这套“恒星死后仍有行星存续”的天体系统，为科学家预示了太阳系约 60 亿年后的模样：届时太阳核心的氢燃料将彻底耗尽，抛散外层气体，最终只留下一颗余热未消的白矮星恒星残骸。在太阳演化到这一最终阶段前，它会先膨胀为红巨星，半径扩张至原本的数十倍，吞噬包括地球在内的所有岩质内行星；不过外侧行星虽能逃过被吞噬的命运，自身形态却会发生不可逆的改变。本次研究的核心天体正是一颗白矮星，其周围就环绕着一颗和木星体型相当的系外行星，编号为 WD 1856 b。每当 WD 1856 b 运行至母白矮星 WD 1856+534 前方时，就会发生行星凌星现象。科研团队利用韦布望远镜观测这些凌星过程，成功测出这颗类木行星的质量、表面温度，还解析出了它大气的化学组分。令众人意外的是，WD 1856 b 的实际温度远高于理论预期；团队同时也厘清了这颗行星为何会运行在距离白矮星极近的轨道上。来自苏格兰圣安德鲁斯大学的项目负责人瑞安 · 麦克唐纳在一份声明中表示：“以往我们用望远镜观测，都是回望宇宙过去；但这是人类首次得以窥见类太阳恒星消亡后，外侧行星可能迎来的命运。这就好比搭乘时光机，提前眺望太阳系遥远的未来。本次利用韦布望远镜开展死亡恒星行星观测的探索才刚刚起步，我们仍在持续搜寻更多环绕白矮星运行的行星。”“我们的研究结果证明，恒星的消亡并非一切的终点 —— 部分行星在宿主恒星死亡后，还会迎来全新且活跃的演化阶段。”IT之家注意到，该团队的研究论文于七月周三发表在《自然》期刊上。这颗气态巨行星 WD 1856 b 最早于 2020 年由美国国家航空航天局的两台设备发现：系外行星巡天卫星（TESS）与斯皮策空间望远镜。TESS 依靠行星凌星时遮挡恒星光线造成的微小亮度衰减，来探测系外行星。这是人类有史以来发现的第一颗完整存活、近距离环绕白矮星的行星。WD 1856 b 最反常的一点，就是它与白矮星宿主的轨道距离极近：轨道半径仅为地球公转轨道的 2%，公转一周只需要 1.4 个地球日。麦克唐纳说：“这颗行星实在与众不同。它体型和木星相仿，而它环绕的白矮星却只有地球大小，也就是说这颗行星的体积是其恒星的七倍。”这颗行星不可能从诞生起就处在如此近的轨道上。倘若它一直离恒星这么近，在恒星膨胀为红巨星、抛散外层大气并转化为白矮星的阶段，它早就被彻底摧毁了。西北大学的团队成员克里斯托弗 · 奥康纳表示：“核心疑问在于 WD 1856 b 是如何抵达当前轨道的，目前学界有两种主流假说。第一种：恒星濒死膨胀时曾将这颗行星吞入内部，行星侥幸存活下来；第二种：系统内其他天体的引力拉扯，让行星向内迁移。这颗白矮星隶属于一个三合星系统，外侧两颗伴星很可能干扰了 WD 1856 b 的轨道。”行星的温度成为区分两种迁移机制的关键线索：WD 1856 b 表面温度达 260 华氏度（127 摄氏度），若仅依靠白矮星的光照供热，它的温度本该比现在低 240 华氏度。仅靠白矮星的辐射，根本无法将行星加热至这一温度。科研团队据此推断，这份高温一定是此前受热留下的残余热量，要么是曾被红巨星包裹烘烤，要么是向内迁移过程中产生的热量。团队测出该行星质量为木星的 4 至 11 倍，以此建模推演了它数十亿年间的冷却过程。麦克唐纳及其团队判定，WD 1856 b 大约在 30 亿至 55 亿年前经历过剧烈升温；而它的宿主恒星转化为白矮星的时间比这更早。这意味着，在恒星演化成毁灭性红巨星的阶段，这颗行星并未被吞噬，是在恒星变成白矮星之后，才向内迁移至如今的近轨道。奥康纳解释道：“行星向内迁移时，白矮星强大的引力会持续作用，使其大幅升温，从那之后它便一直在缓慢冷却。”这项研究预示，当太阳走完红巨星阶段、内太阳系彻底毁灭后，木星或许也会向内迁移，靠近太阳。该成果同时印证了詹姆斯 · 韦布空间望远镜超强的观测能力：这台耗资百亿美元的空间设备，仍在不断捕捉其他仪器无法观测到的宇宙现象。康奈尔大学的团队成员维多利亚 · 伯姆表示：“和韦布望远镜平时观测的普通恒星相比，WD 1856 这类白矮星亮度极其微弱。”“观测难度还不止于此：这颗行星每次凌星仅持续 8 分钟，转瞬即逝，稍有疏忽就会错过。只有韦布望远镜，既能快速捕捉完整凌星过程，又能收集足够光线解析 WD 1856 的光谱。”