天⽂学家发现了⼀颗奇特的系外⾏星 8 Ursae Minoris b,它本应该被它的主恒星吞噬,不知为何却“逃过⼀劫”。8 Ursae Minoris b 与它环绕的主星距离仅有⽇地距离的⼀半,⽽且现有的迹象表明,这颗主星已经历了膨胀阶段。通常在这个阶段,主星会急剧膨胀,并吞噬轨道内的⼀切天体,甚⾄还会波及周边的部分天体。然⽽ 8 Ursae Minoris b 好像确实“幸存”下来了。
对于这颗令⼈费解的⾏星,天⽂学家提出了很多可能的解释,但还没有⾮常可靠的理论。发现这颗⾏星的⼈认为,它之所以能存活下来,可能是因为它的主星吞噬了⼀颗⽩矮星,这个过程使主星“分⼼”,因⽽没有吞噬这颗⾏星。
巨⼤⽽炎热的⾏星 8 Ursae Minors b 是通过视向速度法发现的,这种⽅法需要寻找⾏星绕轨道运⾏并牵引恒星来回移动时,恒星光芒所产⽣的变化。这种牵引会使恒星光谱在视线⽅向(也就是朝向地球)发⽣波动,当⾏星将恒星拉向地球时产⽣蓝移,使恒星远离地球时产⽣红移。
发现 8 Ursae Minoris b 的天⽂台照⽚图⽚来源:NASA
但是⾏星不太可能将恒星直接牵引向地球,因此我们倾向于只测量它沿地球朝向的运动分量。对于⼀颗⾏星,如果它的质量较轻且轨道朝向地球,或者它的质量较重且有相对倾斜的轨道,那么我们也能在它的恒星上观测到同样的运动形式。
通过视向速度法,我们⾄多能估算出这颗⾏星的最⼩质量,但它的实际质量有可能更⼤⼀些。观测结果显示,8 Ursae Minoris b 是⼀颗巨⼤的⾏星,其质量⾄少是太阳质量的 1.6 倍。⽽且它的轨道很靠近主星,仅需 93 天就可以绕轨运⾏⼀周,这意味着它距离主星仅有 0.5 个天⽂单位(AU,太阳和地球的平均距离)。
8 Ursae Minoris b 与太阳的对⽐图⽚来源:NASA
从观测数据中,天⽂学家推测出在距离恒星⾄少五个天⽂单位的位置,可能存在第⼆个绕主星运动的天体。虽然现有数据并不能充分证实第⼆个天体的存在,但这项发现也许在塑造整个恒星系统时发挥了重要作⽤。
8 Ursae Minoris 系外系统本身并没有什么特殊之处,但是考虑到这颗位于系统中央的恒星,⼀切都变得很奇怪。
令⼈费解的存在
观测表明恒星 8 Ursae Minoris 的质量约为 1.5 倍太阳质量,但相⽐太阳⽽⾔,它的年龄显然更⼤。这颗恒星好像已历经了氢燃料开始枯竭的阶段,随着富氦核⼼不断增⻓,它的周围出现了⼀个薄薄的氢燃烧⼤⽓层,使恒星不断地膨胀。最终,8 Ursae Minoris 转变为⼀颗以氦聚变为燃料的更热、更致密的恒星。
但这其中存在⼀个问题。基于恒星的质量推测,它应该⼀直膨胀到其边缘延申⾄ 0.7 个天⽂单位的状态。⽽ 8 Ursae Minoris b 的轨道半径为 0.5 个天⽂单位,也就是说,它曾经应该已处在恒星氢燃烧包层覆盖的范围内。⽽且据我们所知,没有⾏星能从这个过程中幸存。
计算表明,在这种情况下,⾏星将会与恒星⼤⽓发⽣摩擦,导致它快速失去轨道速度,并迅速地螺旋下降、跌落⾄恒星的核⼼⽽被吞噬。天⽂学家从未在与 8 Ursae Minoris 具有同样年龄和⼤⼩的恒星周围观测到绕转的⾏星,这表明了上述计算是正确的。
因此这颗⾏星本应该消失的,但为什么它还在呢?
天⽂学家认为,其中⼀个原因可能是,8 Ursae Minoris b 是⼀个⽐地球质量⼤得多的天体——它⼤到⾜以在被恒星包层包围后仍能存活下来。相⽐地球⽽⾔,它的运⾏轨道或许也更为倾斜。但是研究者计算出,能实现这⼀点的轨道并不多,他们估计这种情况发⽣的概率仅有约 0.8%。
同样地,他们也排除了另外⼀种解释:这颗⾏星曾经⼀度以更加安全的距离绕恒星运转,只是在恒星达到最⼤尺⼨的时候被拉近了。
然⽽,计算再次证明发⽣这种情况的可能性⾮常⼩。⼏乎所有使⾏星向内运动的轨道都会导致它持续地螺旋下降,并最终将向主星坠落。如果这个靠近的过程⾜够缓慢,⾏星与恒星间的潮汐作⽤或许能使轨道稳定,但是这种运动可能需要数⼗亿年,然⽽像 8 Ursae Minoris 这样⼤⼩的恒星,它的氦燃料只够燃烧约⼀亿年。
有可靠的解释吗?
与此前相反,参与这项新研究的科学家认为,8 Ursae Minoris 系统最初可能是⾏星围绕着⼀对恒星旋转的。现在我们观测到的 8 Ursae Minoris 是两颗恒星中⽐较⼩的那个,这就意味着较⼤的恒星先⼀步成熟并开始膨胀。随着它逐渐膨胀,较⼩的恒星最终夺⾛了较⼤恒星的⼤⽓,同时阻⽌了它与⾏星的接触,使这个曾经更⼤⼀些的恒星变成了⼀颗收缩的富氦核⼼。
多亏吸积了这些额外的物质,8 Ursae Minoris 能够经历它⾃⼰的膨胀阶段。膨胀过程会使它的包层再次靠近另⼀颗恒星,并在这⼀次将它吞噬。这会导致原本先膨胀的恒星遗留下的富氦核⼼坠⼊ 8 Ursae Minoris 的核内,引发氦聚变并结束膨胀过程。双星系统中⾏星可能不会被吞噬的理论示意图图⽚来源:Brooks G. Bays, Jr, SOEST/University of Hawai'i
这种情形的关键之处在于,两颗恒星的包层都不会膨胀到⾜以抵达⾏星轨道。虽然近距离双星系统的形成需要⼀系列特定的相互作⽤,但这其实是宇宙中⼀种相对常⻅的现象。然⽽当双星系统被发现时,通常还会有另⼀颗恒星在距离系统较远的地⽅运⾏,这或许可以解释在视向速度数据中发现的另⼀颗伴星的迹象。
这种理论推测,所有这些过程都将使 8 Ursae Minoris ⽐⼀般的同类型恒星含有更多的锂元素。⽽观测数据表明,它的确富含锂元素。
不管对于这颗奇特⾏星存在的解释如何,这项发现都提醒了我们:在宇宙这样浩瀚的空间⾥,不同寻常的事情⼀直在发⽣。