饥饿的白矮星：解决恒星金属污染难题

拓破天峙

小行星围绕白矮星运行。最初，每个小行星都有一个圆形的前进轨道。撞击形成了一个偏心的碎片盘，有前进轨道（蓝色）和后退轨道（橙色）。来源：Steven Burrows/Madigan Group/JILA

据JILA（Kenna Hughes Castleberry）：被称为白矮星的死恒星，其质量与太阳相似，但大小与地球相似。它们在我们的星系中很常见，因为97%的恒星都是白矮星。当恒星到达生命的尽头时，它们的核心坍塌成白矮星的致密球体，使我们的星系看起来像一个空灵的墓地。

尽管它们普遍存在，但这些恒星残余的化学组成多年来一直是天文学家的难题。在许多致密天体的表面存在着硅、镁和钙等重金属元素，这是一个令人困惑的发现，违背了我们对恒星行为的预期。

JILA研究生Tatsuya Akiba解释道：“我们知道，如果这些重金属存在于白矮星的表面，那么白矮星的密度就足够大，这些重金属会很快向核心下沉。”。“所以，除非白矮星正在积极地吃东西，否则你不应该在白矮星的表面看到任何金属。”

虽然白矮星可以吞噬附近的各种物体，如彗星或小行星（被称为星子），但这一过程的复杂性尚未得到充分探索。然而，这种行为可能是解开白矮星金属成分之谜的关键，有可能导致白矮星动力学的令人兴奋的揭示。

在《天体物理杂志快报》的一篇新论文中报道的结果中，秋叶与JILA研究员、科罗拉多大学博尔德分校天体物理和行星科学教授Ann-Marie Madigan和本科生Selah McIntyre一起认为，他们已经找到了这些恒星僵尸吃掉附近星子的原因。通过计算机模拟，研究人员模拟了白矮星在形成过程中受到不对称质量损失引起的“出生踢”，改变了它的运动和周围任何物质的动力学。

在80%的测试中，研究人员观察到，从撞击开始，白矮星30至240 AU范围内（对应太阳-海王星距离及更远）的彗星和小行星的轨道变得细长并对齐。此外，大约40%的随后被吃掉的星子来自反向旋转（逆行）轨道。

研究人员还扩展了他们的模拟范围，以检查白矮星在1亿年后的动力学。他们发现，白矮星附近的星子仍然有细长的轨道，并作为一个连贯的单元移动，这是前所未有的结果。

Madigan说：“我认为这是我们理论的独特之处：我们可以解释为什么吸积事件如此持久。”。“虽然其他机制可能解释了最初的吸积事件，但我们对该事件的模拟表明了为什么它在数亿年后仍会发生。”

这些结果解释了为什么在白矮星表面发现重金属，因为白矮星在其路径上不断消耗较小的物体。

这一切都与重力有关

由于马迪根在JILA的研究小组专注于引力动力学，观察白矮星周围的引力似乎是研究的自然重点。

秋叶说：“模拟有助于我们了解不同天体物理物体的动力学。”。“所以，在这个模拟中，我们把一堆小行星和彗星扔到大得多的白矮星周围，看看模拟是如何演变的，以及白矮星吃掉了这些小行星和彗星中的哪些。”

研究人员希望在未来的项目中将他们的模拟扩大到更大的规模，研究白矮星如何与更大的行星相互作用。

正如秋叶所阐述的，“其他研究表明，小行星和彗星这些小天体可能不是白矮星表面金属污染的唯一来源。因此，白矮星可能会吃掉更大的东西，比如行星。”

发现更多关于太阳系形成的信息

这些新发现进一步揭示了更多关于白矮星形成的信息，这对于理解太阳系在数百万年中的变化非常重要。它们也有助于揭示我们太阳系的起源和未来演变，揭示更多有关化学的信息。

Madigan说：“宇宙中绝大多数行星最终都会围绕白矮星运行。”。“这些系统中有50%可能被它们的恒星吃掉，包括我们自己的太阳系。现在，我们有了一种机制来解释为什么会发生这种情况。”

麦金太尔补充道：“星子可以让我们深入了解太阳系以外的其他太阳系和行星组成。”。“白矮星不仅仅是一个观察过去的镜头。它们也是一个观察未来的镜头。”