撰文 邁克爾·W·沃納、邁克爾·A·尤拉
翻譯 謝懿
天文學家已經(jīng)在超新星殘骸——中子星周圍找到了行星，在類太陽恒星尸體——白矮星周圍找到了小行星瓦解產(chǎn)生的塵埃盤，還在流產(chǎn)的恒星——褐矮星周圍找到了新行星正在形成的證據(jù)。在這些原本被認為不應該存在行星的惡劣環(huán)境中找到行星，不僅表明行星形成過程比過去想象的更頑強，而且暗示，在太陽死亡之時，我們的地球還存有一線生機。
太陽的死亡前奏——向紅巨星的演化 | 圖片來源：互動百科
天空中最悲慘的角色莫過于白矮星（white dwarf）。它們并不遵從普通恒星的質(zhì)量－亮度關(guān)系：盡管質(zhì)量與太陽相仿，白矮星卻是所有恒星中最暗淡無光的，而且正越變越暗。天文學家認為它們連恒星都不是，充其量只能算是恒星的“尸體”。每顆白矮星都曾經(jīng)像我們的太陽一樣，散發(fā)著同樣明亮的光芒。但是在那之后，它逐漸耗盡燃料，步入了暴躁的死亡陣痛階段：它的直徑膨脹 100 倍，亮度增強 10,000 倍，而后外部殼層被拋射出去，只留下一個地球大小的發(fā)光殘骸。在余下的無盡歲月里，它將了無生氣，慢慢變暗，直至一團漆黑。
但這個故事還不夠悲慘，實際情況要更加糟糕。我們和同事已經(jīng)在銀河系中發(fā)現(xiàn)了 10 多顆特殊的白矮星，它們的周圍環(huán)繞著小行星、彗星，甚至還有行星——簡直就是整個太陽系的“墓地”翻版。這些恒星還“活著”的時候，每天都會在這些小天體的天空中升起，給它們送去光和熱，加熱土壤、攪起微風。但在這些恒星死亡時，它們會蒸發(fā)、吞沒、焚化內(nèi)行星，只留下那些“居住”在偏遠寒冷地帶的天體。隨著時間的流逝，白矮星還會撕碎并摧毀許多“幸存者”。這些歷盡磨難的行星系統(tǒng)提供了一個機會，讓我們得以一窺 50 億年后太陽死亡時，我們的太陽系將要經(jīng)歷的悲慘命運。
天文學家過去一直懷疑，太陽外的其他恒星周圍可能存在行星。不過我們當時設(shè)想，應該會在十分類似于太陽的恒星周圍，找到十分類似于太陽系的行星系統(tǒng)。然而，自從 15 年前相關(guān)發(fā)現(xiàn)開始大批涌現(xiàn)，情況立刻變得明朗起來：太陽系外行星系統(tǒng)可以與太陽系完全不同。第一個例子是類太陽恒星（sunlike star）飛馬座 51——它擁有一顆質(zhì)量比木星還大的行星，但主星與行星的間距比水星公轉(zhuǎn)軌道半徑還小。隨著天文儀器越來越靈敏，天文學家發(fā)現(xiàn)了更加古怪的例子。類太陽恒星 HD 40307 擁有 3 顆行星，質(zhì)量介于地球的 4~10 倍之間，全都在不到水星軌道半徑一半的距離上圍繞主星旋轉(zhuǎn)。類太陽恒星巨蟹座 55A 擁有至少 5 顆行星，質(zhì)量介于地球的 10~1,000 倍之間，軌道半徑最短不足水星軌道的 1/10，最長則與木星軌道相當。就算是科幻小說里設(shè)想的行星系統(tǒng)，也不可能如此多姿多彩。
白矮星系統(tǒng)則表明，甚至行星系統(tǒng)的主星都不一定要類似于太陽。行星和小行星、彗星之類的小天體可以圍繞著自身比行星大不了多少的天體旋轉(zhuǎn)。這些行星系統(tǒng)的多樣性絲毫不亞于普通恒星周圍的行星系統(tǒng)。天文學家沒有料到行星系統(tǒng)居然會如此普遍，也沒有料到它們會如此“頑強”，更沒有料到行星形成過程看起來會如此“放之四海而皆準”。與我們太陽系類似的行星系統(tǒng)，可能并不是宇宙中的行星乃至生命最常見的棲息場所。
盡管今天已被一些人淡忘，但第一顆得到確認的太陽系外行星確實圍繞著一顆與太陽完全不同的恒星——中子星（neutron star）PSR 1257 12 旋轉(zhuǎn)。中子星是一類比白矮星更極端的“恒星尸體”，比太陽質(zhì)量還大的物質(zhì)被壓縮成小行星大小，直徑只有大約 20 千米。這種“怪物”是質(zhì)量超過太陽 20 倍的恒星發(fā)生超新星爆炸時誕生的，這一過程比類太陽恒星的死亡要劇烈得多，因此，很難想象行星可以在這樣的爆炸中幸存下來。此外，這顆恒星爆炸前的直徑可能超過 1 個天文單位（astronomical unit，縮寫為 AU，即太陽到地球的平均距離），而今天已知圍繞它旋轉(zhuǎn)的行星當中，軌道半徑最大也不超過 1 個天文單位。出于上述兩個理由，這些行星必定是在爆炸后留下的灰燼中形成的。
雖然超新星爆炸通常會將大部分殘骸拋入星際空間，但仍有少量物質(zhì)會受到引力束縛，落回恒星殘骸周圍，形成一個旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤——這些盤就是行星形成的溫床。天文學家認為，太陽系就是一團彌散于星際空間的氣體塵埃云在自身引力作用下坍縮而形成的。角動量守恒使部分物質(zhì)不會徑直落向新生的太陽，而會在周圍形成一個形如薄煎餅的物質(zhì)盤。正是在這個盤中，塵埃和氣體凝聚成了行星。超新星爆炸后形成的下落物質(zhì)盤中也可能發(fā)生著類似的過程。
天文學家之所以在 PSR 1257 12 周圍發(fā)現(xiàn)行星系統(tǒng)，是因為他們檢測到了它發(fā)出的射電脈沖計時信號中的周期性偏差。這些偏差產(chǎn)生的原因是，圍繞這顆脈沖星旋轉(zhuǎn)的行星推動它發(fā)生輕微的周期性擺動，從而改變了射電脈沖抵達地球所必須傳播的距離。盡管觀測天文學家對其他脈沖星進行了徹底搜索，但迄今為止，還沒有發(fā)現(xiàn)另一個與之類似的行星系統(tǒng)。另一顆脈沖星 PSR B1620-26 至少擁有一顆行星，但它圍繞脈沖星旋轉(zhuǎn)的軌道半徑極短，以至于天文學家認為它不是在下落物質(zhì)盤中形成的，而更有可能是從另一顆恒星那里通過引力俘獲來的。
然而，美國航空航天局（NASA）的斯皮策空間望遠鏡（Spitzer Space Telescope）于 2006 年發(fā)現(xiàn)，中子星 4U 0142 61 出人意料地發(fā)射著紅外輻射。這種紅外輻射可能產(chǎn)生于這顆中子星的磁層，也可能來自于圍繞它旋轉(zhuǎn)的星周盤（circumstellar disk）。這顆中子星形成于大約 10 萬年前的一場超新星爆發(fā)，而行星凝聚成形通常要花 100 萬年左右的時間，因此如果這種紅外輻射確實是一個物質(zhì)盤存在的信號，總有一天，它會形成一個類似于 PSR 1257 12 的行星系統(tǒng)。
許多白矮星也有物質(zhì)盤，但情況稍有不同：這些盤表明確實有天體圍繞著白矮星旋轉(zhuǎn)，而不僅僅表示它有能力形成這些天體。和中子星 4U 0142 61 一樣，線索就是意想不到的紅外輻射。第一條線索可以追溯到 1987 年，當時 NASA 的地面天文臺之一、位于夏威夷莫納克亞山頂?shù)募t外望遠鏡發(fā)現(xiàn)，白矮星 G29-38 發(fā)出的紅外線亮度超過預期。過量紅外線的光譜對應的物體溫度為 1,200 K，遠遠低于白矮星的表面溫度 12,000 K。
天文學家最初認為，這顆白矮星肯定擁有一顆溫度較低的伴星。但到了 1990 年，他們證明紅外輻射的變化與白矮星自身的亮度變化保持一致，說明這種輻射是白矮星星光反射或者“再加工”的結(jié)果。最可信的解釋就是，紅外輻射來自于被這顆白矮星加熱的星周盤。
這顆白矮星還有另一個特性：它的最外層含有鈣、鐵之類的重元素。這一點非常古怪，因為白矮星表面附近的引力場極強，足以使這些元素下沉到白矮星內(nèi)部。2003 年，本文作者之一尤拉提出了一個簡單的解釋，能夠同時說明紅外線的過量和重元素的存在：這顆白矮星新近瓦解了一顆闖入它強大引力場的小行星。一系列碰撞將小行星殘骸磨碎，形成一個圍繞白矮星旋轉(zhuǎn)的塵埃盤，緩慢但穩(wěn)定地將塵埃物質(zhì)撒落到白矮星上。
此后的觀測證實了這一理論。使用地面望遠鏡和斯皮策空間望遠鏡，天文學家已經(jīng)辨認出大約 15 顆白矮星，擁有類似的紅外線過量和元素異常。在 G29-38 和其他 7 顆白矮星上，斯皮策望遠鏡還更進一步辨認出，紅外輻射源自于塵埃盤中的硅酸鹽。這些硅酸鹽與太陽系中的塵埃粒子所含的硅酸鹽非常相似，與星際空間中塵埃所含的硅酸鹽卻大相徑庭。此外，盡管這些白矮星的外部殼層含有重元素，但不同元素的含量各不相同。相對于通常保持固態(tài)的元素（比如硅、鐵和鎂），揮發(fā)性元素（比如碳和鈉）的含量明顯不足。這種元素分布與太陽系中的小行星及巖質(zhì)行星相符。所有這些觀測事實都支持這樣一個結(jié)論：這些塵埃盤是由被撕碎的小行星構(gòu)成的。
白矮星周圍的這些塵埃盤，要比新星恒星周圍孕育出行星的星周盤小得多。根據(jù)塵埃盤發(fā)出的紅外輻射判斷，盤的直徑大約只有 0.01 個天文單位，所含物質(zhì)的質(zhì)量也只相當于一顆直徑 30 千米的小行星——這一事實與它們可能起源于小行星瓦解的理論相符。這些塵埃盤不是新行星潛在的孕育之地，而是行星物質(zhì)可以在恒星死亡過程中幸存下來的明證。理論計算顯示，如果小行星和類地行星的軌道半徑大于 1 個天文單位，它們就可以躲過這一浩劫。當我們的太陽死亡的時候，火星應該能夠劫后余生，但地球的命運就不好說了。
為了研究行星系統(tǒng)的不同部分如何能夠在恒星死亡的大災難中“存活”，斯皮策望遠鏡兩年前觀測了白矮星 WD 2226-210。這顆白矮星非常年輕，以至于死亡前的那顆類太陽恒星的外部殼層至今仍然清晰可見。這些被拋射出去的物質(zhì)構(gòu)成了最著名的行星狀星云之一——螺旋星云（Helix nebula）。
觀測結(jié)果表明，WD 2226-210 恰好提供了失落的一環(huán)，將類太陽恒星與 G29-38 之類的老年白矮星連接了起來。一個塵埃盤在距離這顆白矮星 100 個天文單位的地方圍繞它旋轉(zhuǎn)，這一尺度與我們的太陽系大致相當。這個盤的延伸范圍比其他白矮星周圍的塵埃盤大得多——事實上由于它半徑過大，不可能是由被白矮星引力粉碎的小行星構(gòu)成的。因此，這個盤必定由小行星和彗星碰撞時釋放出來的塵埃構(gòu)成。類似的殘骸盤也存在于太陽和其他類太陽恒星的周圍。
這一發(fā)現(xiàn)證實，當類太陽恒星死亡時，遙遠的小行星和彗星能夠幸存。如果小行星和彗星能夠幸存，生命力不比它們差的行星應該也可以幸存下來。隨著 WD 2262-210 逐漸冷卻，它發(fā)出的能照亮塵埃的光將越來越少，遙遠的小行星和彗星帶將隱匿于黑暗之中，無法再被我們看到。但是偶爾，其中某顆小行星（或者彗星）會游蕩到足夠靠近白矮星的地方，被它的引力撕碎，形成一個我們在年老白矮星周圍看到過的塵埃盤。
第三類擁有行星又與太陽完全不同的恒星是褐矮星（brown dwarf）。盡管名字相似，但褐矮星與白矮星截然不同。褐矮星并不是恒星“尸體”，而是“發(fā)育不良”的恒星。它們的形成過程與恒星相同，但“生長發(fā)育”受到了阻礙，質(zhì)量還不足太陽的 8% ——只有超過這個質(zhì)量下限，恒星核心才能足夠熾熱、足夠致密，點燃可以持續(xù)發(fā)生的核聚變。因此，褐矮星無法維持核聚變，只能將它們形成過程中積聚的熱量（或許還有早期短暫核聚變產(chǎn)生的能量），通過微弱的紅外輻射釋放出去。過去 15 年來，天文巡天觀測已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆褐矮星，其中質(zhì)量最小的甚至還沒有巨行星大。
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