韦伯太空望远镜直接拍摄了两颗围绕白矮星运行的行星

拓牛李强

艺术家绘制的一颗轨道外行星表面的白矮星。天文学家已经发现了两颗围绕两颗白矮星运行的候选巨行星。更多的证据表明，巨行星可以在它们恒星的红巨星阶段存活。学分:马登/康奈尔大学

（）据《今日宇宙》（埃文·高夫）：几十亿年后，我们的太阳将变成一颗白矮星。当太阳跃迁成为恒星残骸时，木星和土星会发生什么变化？生命可以继续，尽管这些大行星可能会离太阳越来越远。

明星以不同的方式结束自己的生命。一些以超新星的形式终结，这种灾难性的爆炸会摧毁任何轨道上的行星，甚至使数光年外的行星绝育。但只有大质量恒星才会这样爆炸。

我们的太阳没有大到足以爆炸成为超新星。相反，它将作为红巨星度过一段时间。红巨星阶段发生在恒星耗尽氢来进行核聚变的时候。这是一个复杂的过程，天文学家仍在努力理解。但是红巨星向太空中释放出一层层物质，这些物质被照亮成行星状星云。最终，红巨星不复存在，只有一颗微小但密度极高的白矮星存在于所有被驱逐物质的中间。

研究人员认为一些白矮星周围有碎片盘，从中可以形成新一代的行星。但研究人员也想知道，当恒星从主序星过渡到红巨星再到白矮星时，一些行星是否能够存活下来。

太空望远镜科学研究所、戈达德太空飞行中心和其他机构的研究人员发现了似乎是两颗巨大的行星在两个不同的系统中围绕两颗白矮星运行。他们的研究名为“JWST直接拍摄两颗被金属污染的白矮星周围的候选巨行星图像”，目前已在arXiv上预印本主要作者是JWST项目副科学家苏珊·穆拉利。

理论思考表明，系外行星应该存在于白矮星周围。太阳系小行星带以外的外行星应该能够在恒星从主序星到红巨星再到白矮星的转变中幸存下来。但是当红巨星膨胀时，这个范围内的恒星将被它吞没。在我们的太阳系中，太阳可能会完全吞没或潮汐瓦解并摧毁水星、金星和地球。甚至可能是火星。



艺术家对红巨星的印象。当这些恒星失去质量时，它们会膨胀并可能包裹住距离太近的行星。致谢:美国国家航空航天局/沃尔特·费默

幸存下来的行星可能会离恒星更远，因为恒星在红巨星阶段会失去质量，引力减弱。

但问题是很难探测到白矮星周围的行星。尽管有针对性的努力，天文学家只发现了几个行星质量的物体围绕白矮星运行。

就目前的情况来看，穆拉利和她的同事已经在白矮星周围发现了两颗候选行星。它们距离它们的恒星大约11.5和34.5天文单位，它们的恒星有53亿和16亿年的历史。如果行星和恒星一样古老，那么MIRI测光显示行星的质量是木星的1到7倍。它们可能是假阳性，但只有3000分之一的概率是这样。

作者写道:“如果得到证实，这些将是第一批直接成像的行星，它们在年龄和分离程度上都与我们太阳系中的巨行星相似，它们将证明像木星这样广泛分离的巨行星在恒星演化中幸存下来。”

如果研究人员是正确的，并且行星与恒星同时形成，这是我们对系外行星和它们所围绕的恒星的理解的一个重要飞跃。它还可能对任何可能围绕这些行星运行的卫星上的生命产生影响。

但这一发现与白矮星的另一个问题有关:白矮星的金属性。

一些白矮星似乎被金属污染了，金属是比氢和氦重的元素。天文学家认为这些金属来自小行星带中的小行星，被巨型行星扰动并送入白矮星。作者写道:“通过未来的MIRI成像确认这两颗候选行星将提供证据，直接将巨行星与白矮星中的金属污染联系起来。”

天文学家发现，多达50%的具有氢大气层的孤立白矮星在其光球（恒星的表层）中含有金属。这些白矮星一定在积极地从周围环境中吸积金属。这些金属的首选来源是小行星和彗星。

“在这种情况下，从红巨星阶段幸存下来的行星偶尔会扰乱小行星和彗星的轨道，这些小行星和彗星随后落入WD，”作者写道。



这位艺术家的插图显示岩石碎片被拉向一颗白矮星。天文学家认为，在WD的洛希极限内，巨行星会干扰小行星和彗星等较小的天体。它们被摧毁了，碎片被带到了恒星的表面。致谢:美国国家航空航天局、欧空局、约瑟夫·奥姆斯特德

天文学家一直在努力寻找WDs周围的行星。在白矮星周围寻找行星的主要方法不是很有效。开普勒和苔丝使用的凌日方法是无效的，因为WDs是如此微小和暗淡。另一种方法是径向速度法。它能感知恒星如何因行星的影响而摆动。它测量恒星光谱因摆动而发生的变化。然而，WDs的光谱几乎毫无特色，难以检测到径向变化。

但是现在我们有了JWST。

研究人员在他们的论文中写道:“JWST的红外能力提供了一个独特的机会，可以直接对围绕附近WDs运行的木星质量的行星进行成像。”

只要行星离恒星足够远，JWST就足以在不使用日冕仪的情况下直接对小恒星周围的大型行星进行成像。穆拉利和她的同事解释说:“利用JWST超高的分辨率，有可能在不使用日冕仪的情况下，直接对距离附近WDs只有几个天文单位的行星进行成像。”

这项工作的一部分是确定点源。在天文学中，点光源是单一的、可识别的光源。与之相对的是解析源或扩展源。研究人员必须确信他们在白矮星周围看到的是点光源，在这种情况下最有可能是行星。他们写道:“我们预计这些光源会以点光源的形式出现，在较长的波长下亮度会增加。”

为了确定他们看到的是否是点源，天文学家使用了一种称为参考差分成像的过程。这是一个复杂的过程，但基本上，它涉及到从图像中减去来源。它在寻找靠近恒星的行星时特别有效。



研究中的这个数字解释了一些发现。每一排都是独立的白矮星和行星候选星。在顶行中，北部的大天体是与研究无关的背景星系。研究人员对候选恒星和候选巨行星进行了减法和加法运算。鸣谢:穆拉利等人2024年

上图显示了该团队如何处理图像，减去白矮星和候选行星，并将行星识别为点源。作者写道:“在这两种情况下，候选对象都被彻底删除，这表明它本质上是点源的。”研究人员检查了四颗独立的白矮星，其中只有两颗有候选系外行星。

作者写道:“如果得到证实，这两颗候选行星提供了具体的观测证据，表明像木星这样的外部巨行星在低质量恒星的演化中幸存下来。”证实也将支持25%-50%的白矮星拥有大型行星的想法。这是理解上的一大进步。

但不幸的是，这些结果无法回答另一个问题:大型行星是否负责将碎片送到白矮星表面？穆拉利和她的合著者写道:“然而，在没有进一步观察的情况下，对这些行星的确认不足以完全证实大质量巨行星是吸积的驱动力。”

这个问题的答案只能来自对更多白矮星的观测，尤其是对JWST的观测。希望我们不用等太久。