提起宇宙中炽热的天体,我们都会想到太阳之外的恒星。但那些未能变成恒星的天体,就一定更平静吗?或许给出答案前我们还需思考。科学家们最近发现的天体WD 0032-317B,其表面升到了约8000摄氏度。也就是说,太阳的表面温度在它面前也只不过是“小巫见大巫”。如此高温到底是怎样形成的?我们一起来看看天体的奥秘。
恒星的死亡,白矮星的诞生。
在宇宙中,核反应主要是聚变:氢这样的轻元素经历上亿度的高温,聚合成更重的元素并释放能量。包括太阳在内的所有恒星,都会这样产生能量。聚变停止后,剩余物质不具有放射性,相对而言要“干净”得多。太阳连同所有其他恒星都是由一种称为核聚变的反应提供动力。如果核聚变能够在地球上复制,那么它可以提供几乎无限的清洁、安全和廉价的能源,以满足世界的能源需求。对于恒星而言,这个过程称为恒星的死亡阶段。
在恒星正常的生命时期,核聚变集中在核心区域。经过几十甚至上百亿年漫长的燃烧之后,中心的氢元素已被消耗殆尽,逐步生成更重的元素:氦,甚至碳、氧……随着燃料消耗殆尽,恒星内核不再产生向外的热压力,逐渐被自身的重量压塌,向内不断收缩,直至缩小到了一定程度,残骸内部电子的斥力逐渐上涨,与残骸自身质量造成的引力恰好互相抵消。此时,庞大的恒星内核已经缩成了一个小球。
死亡恒星的核反应剩余物形成了一种新的天体:白矮星。白矮星质量不轻,尺寸却很小。以WD 0032-317为例,它达到太阳质量的四成,直径却不到太阳的3%,足足比太阳致密几万倍。这样一来,能够散热的表面积就很小,恒星死亡后残余的高温能保持很长时间。我们假设白矮星刚产生100万年,这正是理论估计的WD 0032-317年龄。
尽管这短暂的冷却时间比起恒星几十亿年的寿命而言简直微不足道,但它仍然残留着37000摄氏度的高温,远远高于太阳表面5500摄氏度的温度,相当于蓝巨星的水平。
褐矮星:目前已知昼夜温差最大的星球。WD 0032-317B,“WD”代表“white dwarf”,即白矮星。在数字编号后面加个“B”,代表这个系统中的第二颗天体——褐矮星WD 0032-317B。
要是拿太阳系里的天体类比,褐矮星有点像木星。它们也是气体凝聚的,只不过它比木星要更重,质量大体在13到80个木星之间。WD 0032-317B则达到了79个木星那么重。要是再重点儿,自引力带来的内部压力升温就能在核区点燃核反应,它就成为恒星了。所以,WD 0032-317B虽然是气态巨行星里面的“将军”,实际上却是恒星家族里的“矮子”。不仅如此,它还是一颗被“潮汐锁定”的星球。
白矮星与它的引力作用导致它的轨道发生变化,自转与公转周期逐渐同步,正如同月球那般。因此,WD 0032-317B只有一面永远朝着白矮星,这一面称为“白昼侧”。白矮星释放的能量倾泻在这一面上,永远亮如白昼。而在背面,褐矮星的星体遮挡了白矮星的光,永远没有直射,因此称为“黑夜侧”。天文学家对WD 0032-317B进行了测量。
经过他们的分析,WD 0032-317B的白昼侧足足达到了将近8000摄氏度。在它面前,太阳都显得暗淡起来——太阳的表面温度为5500度,还比它低2000多摄氏度呢!而在黑夜侧,由于照不到白矮星,褐矮星的地表温度骤然下降到2000摄氏度左右。这是目前已知昼夜温差最大的星球,达到了6000摄氏度之多。
白矮星-褐矮星:天文研究的完美组合。
当然,对WD 0032-317B的这项观测研究,并不只是在宇宙中猎奇而已,它还对行星演化研究有着重要的启示。褐矮星本身大小类似木星,而温度又很高,因此能够充当那些离恒星很近的气态巨行星——“热木星”——的近似物。热木星是目前行星演化领域的热门话题。通常来说,它们很难被探测到,因为它们绕着炽热而明亮的大质量恒星公转,被恒星刺眼的光芒所掩盖。
此前,人们往往只能通过引力作用来间接探测热木星,也就是检测对应的恒星在热木星的引力作用下产生微弱的运动异常。但是这些恒星自身往往也在快速旋转,还会释放出大量星风物质,这都给测量运动是否异常带来了困难。将白矮星-褐矮星这种组合作为恒星-热木星的替代品,有特别的优势。首先,白矮星尺寸很小,这样褐矮星就能离它足够近,被照得足够热。
其次,白矮星能发光的表面积小,比热木星的恒星暗弱很多,不会掩盖身边的褐矮星,这样就更有希望对褐矮星直接成像,而无需通过间接手段探测。此外,WD 0032-317和WD 0032-317B这个系统本身,还给恒星的末期演化提供了新的信息。按照观测的情况来看,褐矮星的年龄应该有几十亿年。但白矮星质量很小,说明它的前身星应该有更长的寿命。
研究人员认为,褐矮星此前可能参与了白矮星的演化,加速了它前身星的死亡。
结语。二十年前,WD 0032-317B也曾进入过天文学家的视野,但却被忽视了。那时候它的黑夜侧正朝向地球,在望远镜里不够显眼。或许是因为当时的科学家们还未拥有足够先进的观测仪器,亦或者是宇宙的探索本就并非易事。二十年后,WD 0032-317B重新进入人们的视野。
相信在未来,科学家们借助高分辨率的望远镜继续观测,就可以构建WD 0032-317B的三维大气模型,揭晓其白昼与黑夜两侧如此大的温差是如何分布的,从而帮助我们进一步理解类似的气态巨行星。关于WD 0032-317B这颗炽热的星球,更多的故事还在路上。关于宇宙中的繁星点点,更多的发现也在等着我们。