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白矮星旁的幸存者:JWST发现一颗异常炽热的木星级行星

JWST观测发现,白矮星WD1856旁幸存的木星级行星温度约400K,远高于预期,其热量主要来自内部。大气含甲烷和霾。研究支持高偏心率迁移模型。该行星距地球75光年,暗示类似幸存行星可能普遍存在。

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    到目前为止,唯一得到确认的、在类太阳恒星死亡后仍然幸存的行星,就是WD 1856 b。这颗行星体积接近木星,却紧贴着一颗地球大小的白矮星运行。詹姆斯·韦布空间望远镜对它进行首次详细观测后,发现了一个让人意外的结果:这颗行星不仅位置异常,温度也远高于科学家此前的预期。

    白矮星WD 1856与木星级行星示意图
    WD 1856 b近距离绕行一颗已经冷却数十亿年的白矮星。

    一次意外发现

    2020年,天文学家利用TESS望远镜观测了大约2000颗白矮星,原本的目标是寻找彗星或小行星这类小天体的凌日信号。结果,却在WD 1856系统中发现了一颗气态巨行星。这颗白矮星的直径大约只有该行星的七分之一,按理说,行星经过时应该几乎完全遮住恒星,但实际观测到的亮度只下降了一半左右。

    研究团队认为,这可能是一次掠过式凌日:从地球的视角看,行星的圆盘只是边缘部分经过了恒星表面。这种观察角度概率很低,但却是目前解释现有亮度曲线的最佳方案。

    更奇怪的是,这颗行星距离白矮星只有大约0.02天文单位。我们知道,当类太阳恒星膨胀为红巨星时,通常会吞噬掉内侧的行星;而外层的那些气态巨行星,则会因为恒星损失质量、引力减弱而向外迁移。但WD 1856 b并没有向外远离,反而跑到了极近的轨道上。

    只有八分钟的JWST数据

    2023年4月27日,JWST捕捉到了一次仅持续八分钟的凌日。常规的系外行星透射光谱推测,通常假设行星完整地经过一个更大的恒星圆盘。但这里的情况恰好相反:恒星比行星小得多,而且只发生了边缘重叠。

    为了处理这个特殊情况,团队为此专门建立了新的几何方程,用随时间变化的重叠面积来描述透射光谱,并修改了POSEIDON大气重建软件,使其能够处理这种掠过式凌日。分析结果显示,WD 1856 b被一层气溶胶霾所包围,大气中还含有甲烷。

    温度比预计高出一倍

    一颗距离冷却了大约60亿年的白矮星仅0.02天文单位的行星,理论上的温度应该在150至200K之间,这与木星的云顶温度差不多。但实际测得的结果却大约是400K,并且它向太空释放的能量,相当于从恒星接收能量的约25倍。

    这意味着,这颗行星的热量主要来自其内部,而不是重新辐射恒星的能量。形成初期残留的热量不可能维持这么长时间,因此研究人员推断,这颗行星在后来某个阶段经历过显著的加热过程。

    两种迁移模型

    针对这种情况,目前主要有两种解释。第一种是共同包层模型:行星原本就在较近的轨道上,当恒星成为红巨星并膨胀时,它进入了恒星的外层,最终从包层中幸存下来,停留在了残余核心的附近。如果按照这个模型,加热事件应该发生在大约54亿年前、红巨星阶段结束时。

    第二种是高偏心率迁移模型。行星最初位于更外侧的轨道,受到系统中两颗遥远伴星等天体的引力扰动,轨道逐渐变得极度偏心。它在数十亿年中反复接近白矮星,通过潮汐作用损失轨道能量,最终进入了目前这个近距离的圆轨道。

    研究团队把当前测得的温度代入行星冷却模型进行反推,发现加热事件最可能发生在红巨星阶段结束后的30亿至55亿年之间。这个时间点明显晚于共同包层阶段,所以更支持伴星引力扰动导致的高偏心率迁移模型。

    甲烷带来的不确定性

    现有的冷却模型主要是针对类木星大气建立的,其中甲烷的比例大约为0.3%;但WD 1856 b的甲烷含量却高达7%左右。甲烷是一种强温室气体,这种巨大的成分差异很可能会影响温度反演的结果。研究人员需要建立更接近行星实际成分的新模型,才能更准确地还原它的演化过程。

    WD 1856距离地球大约75光年,这在银河系尺度上算是非常近了。在附近就出现一颗恒星死亡后的幸存行星,这暗示着类似的天体可能并不少见。值得一提的是,团队已经获得了更多的JWST观测数据,并将继续深入研究这个系统,以及更多白矮星周围的行星幸存者。

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