这颗新发现的系外行星能否揭示太阳系的命运?

shown here is a picture of the sun. Much speculation has occurred about what will happen to our solar system when the sun dies.
One way to discover the fate of our solar system is to look at the fates of other similar planetary systems.Image: UNSPLASH/Melissa van Niekerk
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  • 关于太阳系将如何走向终结的理论仍存在争议。

  • 根据其他行星系统的命运,太阳最终会变成一颗“白矮星”,这一剧烈转变将摧毁其他行星。

  • 然而,问题依然是:这一过程中究竟会有多少颗行星被摧毁?

  • 《自然》发表的一篇新论文研究了一颗新系外行星的发现,以评估我们自己的太阳系可能会发生什么。

太阳系将如何走向终结?这是一个极其重要的问题,研究人员对此进行了大量推测,并运用我们对物理学的认识建立复杂的理论模型。我们知道,太阳最终会变成一颗“白矮星”,即一颗燃烧殆尽的恒星残骸,其微弱的光芒会逐渐黯淡,最终陷入黑暗。这一转变将经历一个剧烈过程,并摧毁数量未知的行星。

那么,太阳死亡后,哪些行星能够幸存?寻找答案的一种方法,是观察其他类似行星系统的命运。然而,这并不容易。白矮星辐射微弱,很难发现幸存于恒星这一转变过程中的系外行星(围绕太阳以外恒星运行的行星)——它们确实隐没在黑暗之中。

事实上,在目前已知的逾4,500颗系外行星中,只有少数被发现围绕白矮星运行;这些行星的位置表明,它们可能是在恒星死亡后才到达那里的。

数据匮乏使我们无法完整描绘自身行星系统的命运。幸运的是,我们如今正在填补这些空白。在我们发表于《自然》的新论文中,我们报告发现了首颗已知的系外行星:它在恒星死亡后幸存下来,轨道没有受到其他行星运行的影响,仍以与太阳和太阳系行星之间的距离相当的间隔绕行。

一颗类似木星的行星

这颗新系外行星由我们借助夏威夷的凯克天文台发现,它的质量和轨道间距都与木星十分相似,为我们提供了一个关键的观测窗口,让我们得以了解垂死恒星周围幸存的行星。恒星变成白矮星的过程中会经历一个剧烈阶段,膨胀成一颗“红巨星”,也称为“巨星支”恒星,体积比之前大数百倍。我们认为,这颗系外行星只是勉强幸存下来:如果它最初离母星更近,就会被恒星膨胀的外层吞没。

太阳最终变成红巨星时,其半径实际上会延伸至地球目前的轨道。这意味着太阳会(很可能)吞没水星和金星,也可能吞没地球——但我们并不确定。

人们一直认为木星及其卫星能够幸存下来,尽管此前并无确凿把握。但随着这颗新系外行星的发现,我们如今更有把握认为木星确实能够幸存。此外,这颗系外行星位置的误差范围意味着,它与白矮星的距离可能不到木星目前与太阳距离的一半。如果确实如此,这就进一步支持了木星和火星能够幸存的判断。

那么,有生命能在这一转变过程中幸存下来吗?在最初几十亿年里,白矮星或许能为最终非常靠近它的卫星或行星上的生命提供能量(距离约为太阳与水星之间距离的十分之一)。此后,辐射将不足以维持任何生命。

小行星与白矮星

虽然很难发现围绕白矮星运行的行星,但更容易探测到的是正在解体的小行星,它们靠近白矮星表面。系外小行星若要如此接近白矮星,就必须从幸存的系外行星那里获得足够的动量。因此,人们长期以来一直认为,系外小行星的存在也证明系外行星存在。

我们的发现终于证实了这一点。尽管在论文讨论的这个系统中,现有技术还无法让我们观测到任何系外小行星,但如今我们至少可以汇集不同白矮星系统的证据,拼凑出行星命运这一谜题的不同部分。

系外小行星与系外行星之间的关联也适用于我们自己的太阳系。小行星主带和柯伊伯带(太阳系外围的一个盘状区域)中的个别天体很可能会在太阳消亡后幸存,但其中一些会受到幸存行星的引力作用,被带向白矮星表面。

未来的发现前景

这颗新的白矮星系外行星是通过一种称为引力微透镜探测法的方法发现的。这种方法观测强引力场造成的光线弯曲现象;从地球上看,当一颗恒星与距离更远的另一颗恒星短暂排成一线时,就会出现这种现象。

前景恒星的引力会放大其后方恒星发出的光。任何围绕前景恒星运行的行星都会使这束放大的光发生弯曲和畸变,我们正是据此探测这些行星。我们研究的白矮星位于通往银河系中心距离的四分之一处,距太阳系约6,500光年;那颗距离更远的恒星则位于银河系中心。

引力微透镜技术的一项关键特点是,它能够探测围绕恒星运行、轨道距离与木星至太阳的距离相当的行星。其他已知的白矮星周围行星是通过不同技术发现的,这些技术对恒星与行星之间不同的间距具有探测能力。其中两个例子涉及这样的行星:它们在恒星变成白矮星的过程中幸存下来,最终比之前更靠近白矮星。一颗是通过凌星测光法发现的——这种方法在行星经过白矮星前方时进行探测,此时地球接收到的光线会出现减弱——另一颗则是通过探测其行星蒸发的大气层发现的。

另一种探测技术——天体测量,通过精确测量白矮星在天空中的运动,也有望取得成果。预计再过几年,盖亚任务的天体测量数据将发现约十颗围绕白矮星运行的行星。也许这些发现能为太阳系究竟将如何走向终结提供更有力的证据。

多种发现技术为未来可能取得的探测成果带来希望,这些成果或许能让我们进一步了解地球自身的命运。但眼下,这颗新发现的类木星系外行星为我们的未来提供了迄今最清晰的一瞥。

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