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当太阳死去,地球能否逃生?

来源:环球科学

在《流浪地球》中,太阳即将开始死亡倒计时,地球和人类面临着灭顶之灾,继而启动了逃离太阳系的计划。那么,当现实世界中的太阳死去时,我们的地球真的有办法顺利逃生吗?

天文学家已经在超新星残骸——中子星周围找到了行星,在类太阳恒星尸体——白矮星周围找到了小行星瓦解产生的尘埃盘,还在流产的恒星——褐矮星周围找到了新行星正在形成的证据。在这些原本被认为不应该存在行星的恶劣环境中找到行星,不仅表明行星形成过程比过去想象的更顽强,而且暗示,在太阳死亡之时,我们的地球还存有一线生机。

天空中最悲惨的角色莫过于白矮星(white dwarf)。它们并不遵从普通恒星的质量-亮度关系:尽管质量与太阳相仿,白矮星却是所有恒星中最暗淡无光的,而且正越变越暗。天文学家认为它们连恒星都不是,充其量只能算是恒星的“尸体”。每颗白矮星都曾经像我们的太阳一样,散发着同样明亮的光芒。但是在那之后,它逐渐耗尽燃料,步入了暴躁的死亡阵痛阶段:它的直径膨胀 100 倍,亮度增强 10,000 倍,而后外部壳层被抛射出去,只留下一个地球大小的发光残骸。在余下的无尽岁月里,它将了无生气,慢慢变暗,直至一团漆黑。

但这个故事还不够悲惨,实际情况要更加糟糕。我们和同事已经在银河系中发现了 10 多颗特殊的白矮星,它们的周围环绕着小行星、彗星,甚至还有行星——简直就是整个太阳系的“墓地”翻版。这些恒星还“活着”的时候,每天都会在这些小天体的天空中升起,给它们送去光和热,加热土壤、搅起微风。但在这些恒星死亡时,它们会蒸发、吞没、焚化内行星,只留下那些“居住”在偏远寒冷地带的天体。随着时间的流逝,白矮星还会撕碎并摧毁许多“幸存者”。这些历尽磨难的行星系统提供了一个机会,让我们得以一窥 50 亿年后太阳死亡时,我们的太阳系将要经历的悲惨命运。

天文学家过去一直怀疑,太阳外的其他恒星周围可能存在行星。不过我们当时设想,应该会在十分类似于太阳的恒星周围,找到十分类似于太阳系的行星系统。然而,自从 15 年前相关发现开始大批涌现,情况立刻变得明朗起来:太阳系外行星系统可以与太阳系完全不同。第一个例子是类太阳恒星(sunlike star)飞马座 51——它拥有一颗质量比木星还大的行星,但主星与行星的间距比水星公转轨道半径还小。随着天文仪器越来越灵敏,天文学家发现了更加古怪的例子。类太阳恒星 HD 40307 拥有 3 颗行星,质量介于地球的 4~10 倍之间,全都在不到水星轨道半径一半的距离上围绕主星旋转。类太阳恒星巨蟹座 55A 拥有至少 5 颗行星,质量介于地球的 10~1,000 倍之间,轨道半径最短不足水星轨道的 1/10,最长则与木星轨道相当。就算是科幻小说里设想的行星系统,也不可能如此多姿多彩。

白矮星系统则表明,甚至行星系统的主星都不一定要类似于太阳。行星和小行星、彗星之类的小天体可以围绕着自身比行星大不了多少的天体旋转。这些行星系统的多样性丝毫不亚于普通恒星周围的行星系统。天文学家没有料到行星系统居然会如此普遍,也没有料到它们会如此“顽强”,更没有料到行星形成过程看起来会如此“放之四海而皆准”。与我们太阳系类似的行星系统,可能并不是宇宙中的行星乃至生命最常见的栖息场所。

凤凰涅槃

尽管今天已被一些人淡忘,但第一颗得到确认的太阳系外行星确实围绕着一颗与太阳完全不同的恒星——中子星(neutron star)PSR 1257+12 旋转。中子星是一类比白矮星更极端的“恒星尸体”,比太阳质量还大的物质被压缩成小行星大小,直径只有大约 20 千米。这种“怪物”是质量超过太阳 20 倍的恒星发生超新星爆炸时诞生的,这一过程比类太阳恒星的死亡要剧烈得多,因此,很难想象行星可以在这样的爆炸中幸存下来。此外,这颗恒星爆炸前的直径可能超过 1 个天文单位(astronomical unit,缩写为 AU,即太阳到地球的平均距离),而今天已知围绕它旋转的行星当中,轨道半径最大也不超过 1 个天文单位。出于上述两个理由,这些行星必定是在爆炸后留下的灰烬中形成的。

虽然超新星爆炸通常会将大部分残骸抛入星际空间,但仍有少量物质会受到引力束缚,落回恒星残骸周围,形成一个旋转的物质盘——这些盘就是行星形成的温床。天文学家认为,太阳系就是一团弥散于星际空间的气体尘埃云在自身引力作用下坍缩而形成的。角动量守恒使部分物质不会径直落向新生的太阳,而会在周围形成一个形如薄煎饼的物质盘。正是在这个盘中,尘埃和气体凝聚成了行星。超新星爆炸后形成的下落物质盘中也可能发生着类似的过程。

天文学家之所以在 PSR 1257+12 周围发现行星系统,是因为他们检测到了它发出的射电脉冲计时信号中的周期性偏差。这些偏差产生的原因是,围绕这颗脉冲星旋转的行星推动它发生轻微的周期性摆动,从而改变了射电脉冲抵达地球所必须传播的距离。尽管观测天文学家对其他脉冲星进行了彻底搜索,但迄今为止,还没有发现另一个与之类似的行星系统。另一颗脉冲星 PSR B1620-26 至少拥有一颗行星,但它围绕脉冲星旋转的轨道半径极短,以至于天文学家认为它不是在下落物质盘中形成的,而更有可能是从另一颗恒星那里通过引力俘获来的。

然而,美国航空航天局(NASA)的斯皮策空间望远镜(Spitzer Space Telescope)于 2006 年发现,中子星 4U 0142+61 出人意料地发射着红外辐射。这种红外辐射可能产生于这颗中子星的磁层,也可能来自于围绕它旋转的星周盘(circumstellar disk)。这颗中子星形成于大约 10 万年前的一场超新星爆发,而行星凝聚成形通常要花 100 万年左右的时间,因此如果这种红外辐射确实是一个物质盘存在的信号,总有一天,它会形成一个类似于 PSR 1257+12 的行星系统。

小行星甜点

许多白矮星也有物质盘,但情况稍有不同:这些盘表明确实有天体围绕着白矮星旋转,而不仅仅表示它有能力形成这些天体。和中子星 4U 0142+61 一样,线索就是意想不到的红外辐射。第一条线索可以追溯到 1987 年,当时 NASA 的地面天文台之一、位于夏威夷莫纳克亚山顶的红外望远镜发现,白矮星 G29-38 发出的红外线亮度超过预期。过量红外线的光谱对应的物体温度为 1,200 K,远远低于白矮星的表面温度 12,000 K。

天文学家最初认为,这颗白矮星肯定拥有一颗温度较低的伴星。但到了 1990 年,他们证明红外辐射的变化与白矮星自身的亮度变化保持一致,说明这种辐射是白矮星星光反射或者“再加工”的结果。最可信的解释就是,红外辐射来自于被这颗白矮星加热的星周盘。

这颗白矮星还有另一个特性:它的最外层含有钙、铁之类的重元素。这一点非常古怪,因为白矮星表面附近的引力场极强,足以使这些元素下沉到白矮星内部。2003 年,本文作者之一尤拉提出了一个简单的解释,能够同时说明红外线的过量和重元素的存在:这颗白矮星新近瓦解了一颗闯入它强大引力场的小行星。一系列碰撞将小行星残骸磨碎,形成一个围绕白矮星旋转的尘埃盘,缓慢但稳定地将尘埃物质撒落到白矮星上。

此后的观测证实了这一理论。使用地面望远镜和斯皮策空间望远镜,天文学家已经辨认出大约 15 颗白矮星,拥有类似的红外线过量和元素异常。在 G29-38 和其他 7 颗白矮星上,斯皮策望远镜还更进一步辨认出,红外辐射源自于尘埃盘中的硅酸盐。这些硅酸盐与太阳系中的尘埃粒子所含的硅酸盐非常相似,与星际空间中尘埃所含的硅酸盐却大相径庭。此外,尽管这些白矮星的外部壳层含有重元素,但不同元素的含量各不相同。相对于通常保持固态的元素(比如硅、铁和镁),挥发性元素(比如碳和钠)的含量明显不足。这种元素分布与太阳系中的小行星及岩质行星相符。所有这些观测事实都支持这样一个结论:这些尘埃盘是由被撕碎的小行星构成的。

白矮星周围的这些尘埃盘,要比新星恒星周围孕育出行星的星周盘小得多。根据尘埃盘发出的红外辐射判断,盘的直径大约只有 0.01 个天文单位,所含物质的质量也只相当于一颗直径 30 千米的小行星——这一事实与它们可能起源于小行星瓦解的理论相符。这些尘埃盘不是新行星潜在的孕育之地,而是行星物质可以在恒星死亡过程中幸存下来的明证。理论计算显示,如果小行星和类地行星的轨道半径大于 1 个天文单位,它们就可以躲过这一浩劫。当我们的太阳死亡的时候,火星应该能够劫后余生,但地球的命运就不好说了。

为了研究行星系统的不同部分如何能够在恒星死亡的大灾难中“存活”,斯皮策望远镜两年前观测了白矮星 WD 2226-210。这颗白矮星非常年轻,以至于死亡前的那颗类太阳恒星的外部壳层至今仍然清晰可见。这些被抛射出去的物质构成了最著名的行星状星云之一——螺旋星云(Helix nebula)。

观测结果表明,WD 2226-210 恰好提供了失落的一环,将类太阳恒星与 G29-38 之类的老年白矮星连接了起来。一个尘埃盘在距离这颗白矮星 100 个天文单位的地方围绕它旋转,这一尺度与我们的太阳系大致相当。这个盘的延伸范围比其他白矮星周围的尘埃盘大得多——事实上由于它半径过大,不可能是由被白矮星引力粉碎的小行星构成的。因此,这个盘必定由小行星和彗星碰撞时释放出来的尘埃构成。类似的残骸盘也存在于太阳和其他类太阳恒星的周围。

这一发现证实,当类太阳恒星死亡时,遥远的小行星和彗星能够幸存。如果小行星和彗星能够幸存,生命力不比它们差的行星应该也可以幸存下来。随着 WD 2262-210 逐渐冷却,它发出的能照亮尘埃的光将越来越少,遥远的小行星和彗星带将隐匿于黑暗之中,无法再被我们看到。但是偶尔,其中某颗小行星(或者彗星)会游荡到足够靠近白矮星的地方,被它的引力撕碎,形成一个我们在年老白矮星周围看到过的尘埃盘。

流产恒星

第三类拥有行星又与太阳完全不同的恒星是褐矮星(brown dwarf)。尽管名字相似,但褐矮星与白矮星截然不同。褐矮星并不是恒星“尸体”,而是“发育不良”的恒星。它们的形成过程与恒星相同,但“生长发育”受到了阻碍,质量还不足太阳的 8% ——只有超过这个质量下限,恒星核心才能足够炽热、足够致密,点燃可以持续发生的核聚变。因此,褐矮星无法维持核聚变,只能将它们形成过程中积聚的热量(或许还有早期短暂核聚变产生的能量),通过微弱的红外辐射释放出去。过去 15 年来,天文巡天观测已经发现了数百颗褐矮星,其中质量最小的甚至还没有巨行星大。

天文学家已经发现,即使最小的褐矮星也可以拥有尘埃盘,因此有可能拥有行星。观测数据显示,褐矮星的尘埃盘经历过一系列由尘埃粒子凝聚而产生的系统性变化,包括硅酸盐发出的超量红外辐射在光谱中突然出现强度下降——这些数据支持了褐矮星可能拥有行星的观点。同样的变化在较大恒星周围的尘埃盘中也出现过,标志着行星“建筑原料”正在形成。褐矮星尘埃盘中包含的物质不足以形成木星大小的巨行星,但形成天王星或海王星大小的行星还是足够的。一些天文学家声称已经发现了在褐矮星周围形成的行星,但至今还没有任何一项发现得到证实。

总之,天文学家已经在至少一颗中子星周围发现了多颗行星;在十几颗白矮星周围发现了小行星和彗星;还在褐矮星周围发现了行星形成早期阶段的证据。研究这些太阳系外行星系统,最终有两个目的:

第一,天文学家希望能够进一步了解我们所在的太阳系,特别是它的演化和大尺度结构,这些特征很难从我们短暂的一生和有限的空间视角中被察觉到。我们还希望能了解太阳系的地位。它是一个普通的行星系统还是一个特例?尽管行星系统千变万化,但它们在形成阶段是否经历过一些相同的过程?太阳系中小行星的物质成分与掉入白矮星的物质十分相似,暗示这个问题的答案是肯定的。

第二个目的,是确定生命在宇宙中有多普遍。在我们银河系中的邻近区域里,褐矮星的数目几乎与恒星相当。距离太阳最近的“恒星”有可能是一颗尚未被发现的褐矮星吗?距离太阳系最近的行星会不会围绕着一颗褐矮星运转?NASA 发射的大视场红外巡天探测器(Wide-field Infrared Survey Explorer,缩写为WISE),或许会发现比已知距离最近的恒星更靠近太阳的褐矮星。褐矮星周围类地行星的形成不仅会拓展潜在的生命栖息地,而且还带来了这样一个激动人心的可能性:距离我们最近的地外生命,可能会在一颗褐矮星的照耀下茁壮成长。

与此类似,白矮星周围小行星和彗星的存在也预示,不仅行星可以在类太阳恒星的死亡中幸存下来,就连生命或许也能在死亡恒星周围的偏远地带得以延续——如果它们能够适应环境变化的话。也许,到了那个时候,白矮星就不会像现在看起来这样悲惨了。

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