撰文 邁克爾·W·沃納、邁克爾·A·尤拉
翻譯 謝懿
天文學(xué)家已經(jīng)在超新星殘骸——中子星周圍找到了行星，在類太陽(yáng)恒星尸體——白矮星周圍找到了小行星瓦解產(chǎn)生的塵埃盤，還在流產(chǎn)的恒星——褐矮星周圍找到了新行星正在形成的證據(jù)。在這些原本被認(rèn)為不應(yīng)該存在行星的惡劣環(huán)境中找到行星，不僅表明行星形成過程比過去想象的更頑強(qiáng)，而且暗示，在太陽(yáng)死亡之時(shí)，我們的地球還存有一線生機(jī)。
太陽(yáng)的死亡前奏——向紅巨星的演化 | 圖片來源：互動(dòng)百科
天空中最悲慘的角色莫過于白矮星（white dwarf）。它們并不遵從普通恒星的質(zhì)量－亮度關(guān)系：盡管質(zhì)量與太陽(yáng)相仿，白矮星卻是所有恒星中最暗淡無光的，而且正越變?cè)桨?。天文學(xué)家認(rèn)為它們連恒星都不是，充其量只能算是恒星的“尸體”。每顆白矮星都曾經(jīng)像我們的太陽(yáng)一樣，散發(fā)著同樣明亮的光芒。但是在那之后，它逐漸耗盡燃料，步入了暴躁的死亡陣痛階段：它的直徑膨脹 100 倍，亮度增強(qiáng) 10,000 倍，而后外部殼層被拋射出去，只留下一個(gè)地球大小的發(fā)光殘骸。在余下的無盡歲月里，它將了無生氣，慢慢變暗，直至一團(tuán)漆黑。
但這個(gè)故事還不夠悲慘，實(shí)際情況要更加糟糕。我們和同事已經(jīng)在銀河系中發(fā)現(xiàn)了 10 多顆特殊的白矮星，它們的周圍環(huán)繞著小行星、彗星，甚至還有行星——簡(jiǎn)直就是整個(gè)太陽(yáng)系的“墓地”翻版。這些恒星還“活著”的時(shí)候，每天都會(huì)在這些小天體的天空中升起，給它們送去光和熱，加熱土壤、攪起微風(fēng)。但在這些恒星死亡時(shí)，它們會(huì)蒸發(fā)、吞沒、焚化內(nèi)行星，只留下那些“居住”在偏遠(yuǎn)寒冷地帶的天體。隨著時(shí)間的流逝，白矮星還會(huì)撕碎并摧毀許多“幸存者”。這些歷盡磨難的行星系統(tǒng)提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，讓我們得以一窺 50 億年后太陽(yáng)死亡時(shí)，我們的太陽(yáng)系將要經(jīng)歷的悲慘命運(yùn)。
天文學(xué)家過去一直懷疑，太陽(yáng)外的其他恒星周圍可能存在行星。不過我們當(dāng)時(shí)設(shè)想，應(yīng)該會(huì)在十分類似于太陽(yáng)的恒星周圍，找到十分類似于太陽(yáng)系的行星系統(tǒng)。然而，自從 15 年前相關(guān)發(fā)現(xiàn)開始大批涌現(xiàn)，情況立刻變得明朗起來：太陽(yáng)系外行星系統(tǒng)可以與太陽(yáng)系完全不同。第一個(gè)例子是類太陽(yáng)恒星（sunlike star）飛馬座 51——它擁有一顆質(zhì)量比木星還大的行星，但主星與行星的間距比水星公轉(zhuǎn)軌道半徑還小。隨著天文儀器越來越靈敏，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了更加古怪的例子。類太陽(yáng)恒星 HD 40307 擁有 3 顆行星，質(zhì)量介于地球的 4~10 倍之間，全都在不到水星軌道半徑一半的距離上圍繞主星旋轉(zhuǎn)。類太陽(yáng)恒星巨蟹座 55A 擁有至少 5 顆行星，質(zhì)量介于地球的 10~1,000 倍之間，軌道半徑最短不足水星軌道的 1/10，最長(zhǎng)則與木星軌道相當(dāng)。就算是科幻小說里設(shè)想的行星系統(tǒng)，也不可能如此多姿多彩。
白矮星系統(tǒng)則表明，甚至行星系統(tǒng)的主星都不一定要類似于太陽(yáng)。行星和小行星、彗星之類的小天體可以圍繞著自身比行星大不了多少的天體旋轉(zhuǎn)。這些行星系統(tǒng)的多樣性絲毫不亞于普通恒星周圍的行星系統(tǒng)。天文學(xué)家沒有料到行星系統(tǒng)居然會(huì)如此普遍，也沒有料到它們會(huì)如此“頑強(qiáng)”，更沒有料到行星形成過程看起來會(huì)如此“放之四海而皆準(zhǔn)”。與我們太陽(yáng)系類似的行星系統(tǒng)，可能并不是宇宙中的行星乃至生命最常見的棲息場(chǎng)所。
盡管今天已被一些人淡忘，但第一顆得到確認(rèn)的太陽(yáng)系外行星確實(shí)圍繞著一顆與太陽(yáng)完全不同的恒星——中子星（neutron star）PSR 1257 12 旋轉(zhuǎn)。中子星是一類比白矮星更極端的“恒星尸體”，比太陽(yáng)質(zhì)量還大的物質(zhì)被壓縮成小行星大小，直徑只有大約 20 千米。這種“怪物”是質(zhì)量超過太陽(yáng) 20 倍的恒星發(fā)生超新星爆炸時(shí)誕生的，這一過程比類太陽(yáng)恒星的死亡要?jiǎng)×业枚啵虼?，很難想象行星可以在這樣的爆炸中幸存下來。此外，這顆恒星爆炸前的直徑可能超過 1 個(gè)天文單位（astronomical unit，縮寫為 AU，即太陽(yáng)到地球的平均距離），而今天已知圍繞它旋轉(zhuǎn)的行星當(dāng)中，軌道半徑最大也不超過 1 個(gè)天文單位。出于上述兩個(gè)理由，這些行星必定是在爆炸后留下的灰燼中形成的。
雖然超新星爆炸通常會(huì)將大部分殘骸拋入星際空間，但仍有少量物質(zhì)會(huì)受到引力束縛，落回恒星殘骸周圍，形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤——這些盤就是行星形成的溫床。天文學(xué)家認(rèn)為，太陽(yáng)系就是一團(tuán)彌散于星際空間的氣體塵埃云在自身引力作用下坍縮而形成的。角動(dòng)量守恒使部分物質(zhì)不會(huì)徑直落向新生的太陽(yáng)，而會(huì)在周圍形成一個(gè)形如薄煎餅的物質(zhì)盤。正是在這個(gè)盤中，塵埃和氣體凝聚成了行星。超新星爆炸后形成的下落物質(zhì)盤中也可能發(fā)生著類似的過程。
天文學(xué)家之所以在 PSR 1257 12 周圍發(fā)現(xiàn)行星系統(tǒng)，是因?yàn)樗麄儥z測(cè)到了它發(fā)出的射電脈沖計(jì)時(shí)信號(hào)中的周期性偏差。這些偏差產(chǎn)生的原因是，圍繞這顆脈沖星旋轉(zhuǎn)的行星推動(dòng)它發(fā)生輕微的周期性擺動(dòng)，從而改變了射電脈沖抵達(dá)地球所必須傳播的距離。盡管觀測(cè)天文學(xué)家對(duì)其他脈沖星進(jìn)行了徹底搜索，但迄今為止，還沒有發(fā)現(xiàn)另一個(gè)與之類似的行星系統(tǒng)。另一顆脈沖星 PSR B1620-26 至少擁有一顆行星，但它圍繞脈沖星旋轉(zhuǎn)的軌道半徑極短，以至于天文學(xué)家認(rèn)為它不是在下落物質(zhì)盤中形成的，而更有可能是從另一顆恒星那里通過引力俘獲來的。
然而，美國(guó)航空航天局（NASA）的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡（Spitzer Space Telescope）于 2006 年發(fā)現(xiàn)，中子星 4U 0142 61 出人意料地發(fā)射著紅外輻射。這種紅外輻射可能產(chǎn)生于這顆中子星的磁層，也可能來自于圍繞它旋轉(zhuǎn)的星周盤（circumstellar disk）。這顆中子星形成于大約 10 萬年前的一場(chǎng)超新星爆發(fā)，而行星凝聚成形通常要花 100 萬年左右的時(shí)間，因此如果這種紅外輻射確實(shí)是一個(gè)物質(zhì)盤存在的信號(hào)，總有一天，它會(huì)形成一個(gè)類似于 PSR 1257 12 的行星系統(tǒng)。
許多白矮星也有物質(zhì)盤，但情況稍有不同：這些盤表明確實(shí)有天體圍繞著白矮星旋轉(zhuǎn)，而不僅僅表示它有能力形成這些天體。和中子星 4U 0142 61 一樣，線索就是意想不到的紅外輻射。第一條線索可以追溯到 1987 年，當(dāng)時(shí) NASA 的地面天文臺(tái)之一、位于夏威夷莫納克亞山頂?shù)募t外望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，白矮星 G29-38 發(fā)出的紅外線亮度超過預(yù)期。過量紅外線的光譜對(duì)應(yīng)的物體溫度為 1,200 K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于白矮星的表面溫度 12,000 K。
天文學(xué)家最初認(rèn)為，這顆白矮星肯定擁有一顆溫度較低的伴星。但到了 1990 年，他們證明紅外輻射的變化與白矮星自身的亮度變化保持一致，說明這種輻射是白矮星星光反射或者“再加工”的結(jié)果。最可信的解釋就是，紅外輻射來自于被這顆白矮星加熱的星周盤。
這顆白矮星還有另一個(gè)特性：它的最外層含有鈣、鐵之類的重元素。這一點(diǎn)非常古怪，因?yàn)榘装潜砻娓浇囊?chǎng)極強(qiáng)，足以使這些元素下沉到白矮星內(nèi)部。2003 年，本文作者之一尤拉提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋，能夠同時(shí)說明紅外線的過量和重元素的存在：這顆白矮星新近瓦解了一顆闖入它強(qiáng)大引力場(chǎng)的小行星。一系列碰撞將小行星殘骸磨碎，形成一個(gè)圍繞白矮星旋轉(zhuǎn)的塵埃盤，緩慢但穩(wěn)定地將塵埃物質(zhì)撒落到白矮星上。
此后的觀測(cè)證實(shí)了這一理論。使用地面望遠(yuǎn)鏡和斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家已經(jīng)辨認(rèn)出大約 15 顆白矮星，擁有類似的紅外線過量和元素異常。在 G29-38 和其他 7 顆白矮星上，斯皮策望遠(yuǎn)鏡還更進(jìn)一步辨認(rèn)出，紅外輻射源自于塵埃盤中的硅酸鹽。這些硅酸鹽與太陽(yáng)系中的塵埃粒子所含的硅酸鹽非常相似，與星際空間中塵埃所含的硅酸鹽卻大相徑庭。此外，盡管這些白矮星的外部殼層含有重元素，但不同元素的含量各不相同。相對(duì)于通常保持固態(tài)的元素（比如硅、鐵和鎂），揮發(fā)性元素（比如碳和鈉）的含量明顯不足。這種元素分布與太陽(yáng)系中的小行星及巖質(zhì)行星相符。所有這些觀測(cè)事實(shí)都支持這樣一個(gè)結(jié)論：這些塵埃盤是由被撕碎的小行星構(gòu)成的。
白矮星周圍的這些塵埃盤，要比新星恒星周圍孕育出行星的星周盤小得多。根據(jù)塵埃盤發(fā)出的紅外輻射判斷，盤的直徑大約只有 0.01 個(gè)天文單位，所含物質(zhì)的質(zhì)量也只相當(dāng)于一顆直徑 30 千米的小行星——這一事實(shí)與它們可能起源于小行星瓦解的理論相符。這些塵埃盤不是新行星潛在的孕育之地，而是行星物質(zhì)可以在恒星死亡過程中幸存下來的明證。理論計(jì)算顯示，如果小行星和類地行星的軌道半徑大于 1 個(gè)天文單位，它們就可以躲過這一浩劫。當(dāng)我們的太陽(yáng)死亡的時(shí)候，火星應(yīng)該能夠劫后余生，但地球的命運(yùn)就不好說了。
為了研究行星系統(tǒng)的不同部分如何能夠在恒星死亡的大災(zāi)難中“存活”，斯皮策望遠(yuǎn)鏡兩年前觀測(cè)了白矮星 WD 2226-210。這顆白矮星非常年輕，以至于死亡前的那顆類太陽(yáng)恒星的外部殼層至今仍然清晰可見。這些被拋射出去的物質(zhì)構(gòu)成了最著名的行星狀星云之一——螺旋星云（Helix nebula）。
觀測(cè)結(jié)果表明，WD 2226-210 恰好提供了失落的一環(huán)，將類太陽(yáng)恒星與 G29-38 之類的老年白矮星連接了起來。一個(gè)塵埃盤在距離這顆白矮星 100 個(gè)天文單位的地方圍繞它旋轉(zhuǎn)，這一尺度與我們的太陽(yáng)系大致相當(dāng)。這個(gè)盤的延伸范圍比其他白矮星周圍的塵埃盤大得多——事實(shí)上由于它半徑過大，不可能是由被白矮星引力粉碎的小行星構(gòu)成的。因此，這個(gè)盤必定由小行星和彗星碰撞時(shí)釋放出來的塵埃構(gòu)成。類似的殘骸盤也存在于太陽(yáng)和其他類太陽(yáng)恒星的周圍。
這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)，當(dāng)類太陽(yáng)恒星死亡時(shí)，遙遠(yuǎn)的小行星和彗星能夠幸存。如果小行星和彗星能夠幸存，生命力不比它們差的行星應(yīng)該也可以幸存下來。隨著 WD 2262-210 逐漸冷卻，它發(fā)出的能照亮塵埃的光將越來越少，遙遠(yuǎn)的小行星和彗星帶將隱匿于黑暗之中，無法再被我們看到。但是偶爾，其中某顆小行星（或者彗星）會(huì)游蕩到足夠靠近白矮星的地方，被它的引力撕碎，形成一個(gè)我們?cè)谀昀习装侵車吹竭^的塵埃盤。
第三類擁有行星又與太陽(yáng)完全不同的恒星是褐矮星（brown dwarf）。盡管名字相似，但褐矮星與白矮星截然不同。褐矮星并不是恒星“尸體”，而是“發(fā)育不良”的恒星。它們的形成過程與恒星相同，但“生長(zhǎng)發(fā)育”受到了阻礙，質(zhì)量還不足太陽(yáng)的 8% ——只有超過這個(gè)質(zhì)量下限，恒星核心才能足夠熾熱、足夠致密，點(diǎn)燃可以持續(xù)發(fā)生的核聚變。因此，褐矮星無法維持核聚變，只能將它們形成過程中積聚的熱量（或許還有早期短暫核聚變產(chǎn)生的能量），通過微弱的紅外輻射釋放出去。過去 15 年來，天文巡天觀測(cè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆褐矮星，其中質(zhì)量最小的甚至還沒有巨行星大。
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