“幻影行星”現(xiàn)形記

張唯誠(chéng)

脈沖星周圍的系外行星

天文學(xué)家熱衷于在宇宙中搜尋系外行星，認(rèn)為這種行星最有可能出現(xiàn)在類似太陽(yáng)的恒星周圍。然而，真是這樣的嗎？

1990年1月，波蘭托倫天文學(xué)中心的天文學(xué)家亞歷山大·沃爾茲剛來(lái)到波多黎各，那里有一架口徑305米的射電望遠(yuǎn)鏡，名為阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡。通常情況下，這架目前世界上口徑最大的天文望遠(yuǎn)鏡總是被預(yù)約排得滿滿的，但沃爾茲剛到來(lái)時(shí)，由于要維修，它被閑置了下來(lái)。沃爾茲剛意識(shí)到，他的機(jī)會(huì)來(lái)了，他可以進(jìn)行一次沒(méi)有目標(biāo)的巡天觀測(cè)，讓望遠(yuǎn)鏡跟隨地球的自轉(zhuǎn)漫無(wú)目的地搜索天空，看有沒(méi)有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)非同尋常的天體。

巡視進(jìn)行到10天時(shí)，他有了收獲，發(fā)現(xiàn)了一顆很特別的脈沖星。

脈沖星是一種完全由中子組成的致密星體。當(dāng)一顆有相當(dāng)質(zhì)量的恒星發(fā)生爆炸時(shí)，它的中心部分因反作用力向內(nèi)壓縮，由此形成的壓力大到足以使電子進(jìn)入原子核，并與質(zhì)子結(jié)合成為中子，于是便誕生了一顆中子星。中子星的密度非常大，直徑只有幾十千米，質(zhì)量卻比太陽(yáng)還要大。它們?cè)隗w積縮小時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)加快，同時(shí)釋放大量能量。當(dāng)其以磁軸為中心的輻射錐掃過(guò)地球時(shí)，就有可能被地球上的射電望遠(yuǎn)鏡捕捉到。

沃爾茲剛新發(fā)現(xiàn)的脈沖星名為PSR B1257+12，它旋轉(zhuǎn)得非?？欤棵脒_(dá)到幾百圈。沃爾茲剛很快發(fā)現(xiàn)，這顆脈沖星發(fā)出的脈沖信號(hào)有點(diǎn)特別，時(shí)而早一點(diǎn)，時(shí)而晚一點(diǎn)，這表明它的旁邊可能有天體在影響著它，使它時(shí)而靠近地球，時(shí)而遠(yuǎn)離地球。

經(jīng)過(guò)艱苦分析，沃爾茲剛和其他科學(xué)家認(rèn)為，這顆脈沖星的周圍有三顆行星，分別被稱為A、B 和C。

多數(shù)人都認(rèn)為脈沖星不會(huì)擁有行星，但沃爾茲剛的發(fā)現(xiàn)否定了這種觀點(diǎn)。

1992年，沃爾茲剛在美國(guó)天文學(xué)會(huì)上宣布了他的發(fā)現(xiàn)。他介紹說(shuō)，行星B和C的質(zhì)量都相當(dāng)于地球質(zhì)量的4倍，但行星A的質(zhì)量只相當(dāng)于地球質(zhì)量的1/15。迄今，行星A 仍是已知繞著除太陽(yáng)之外的另一顆恒星運(yùn)行的最小的行星。

這件事引起了很大的轟動(dòng)。那顆被行星環(huán)繞的天體不是一顆和太陽(yáng)相似的恒星，而是一顆脈沖星，這讓人們十分困惑。

在殘骸中獲得新生

脈沖星PSR B1257+12是如何擁有行星的呢？它擁有行星的過(guò)程和太陽(yáng)一樣嗎？回答是否定的。太陽(yáng)是一顆中等質(zhì)量的恒星，相對(duì)算是溫和的，形成脈沖星的過(guò)程則很暴力。還有，地球和太陽(yáng)系中的其他行星都源于太陽(yáng)的誕生，而脈沖星周圍的行星則肇因于恒星的死亡。那么，這樣的事是如何發(fā)生的呢？

原來(lái)，一顆脈沖星的過(guò)去都是一顆大質(zhì)量的恒星，其質(zhì)量至少為太陽(yáng)質(zhì)量的8倍。在巨大引力的作用下，這顆星非常明亮和熾熱，所以只需幾百萬(wàn)年，它的生命就走到盡頭了。于是，這顆恒星發(fā)生了爆炸，成了一顆超新星，它以十分猛烈的形式將自身的絕大部分物質(zhì)拋向太空，而剩下的物質(zhì)則變成一顆高度密集且高速旋轉(zhuǎn)的天體，即中子星。當(dāng)?shù)厍蛏系耐h(yuǎn)鏡接收到這顆中子星發(fā)出的脈沖信號(hào)時(shí)，人們就稱它為脈沖星。在這顆恒星變成超

新星之前，它的周圍很可能已經(jīng)存在行星，但它們?cè)诔滦潜l(fā)中被毀滅了。

然而演化并沒(méi)有就此停止。超新星爆發(fā)結(jié)束后，這顆星的周圍形成了一個(gè)由氣體組成的盤(pán)，盤(pán)中的物質(zhì)是爆炸拋射出的碎片、塵埃和氣體。這個(gè)盤(pán)之所以存在，是因?yàn)橛胁糠治镔|(zhì)并沒(méi)有在爆炸中以足夠高的速度擺脫引力進(jìn)入太空。接下來(lái)，這個(gè)盤(pán)開(kāi)始冷卻收縮，最后形成了一個(gè)新的行星家族，由超新星爆發(fā)產(chǎn)生的更重的元素組成。

在脈沖星的周圍發(fā)現(xiàn)行星，按理說(shuō)應(yīng)該是一個(gè)很受關(guān)注的重大事件，然而，人們更感興趣的是在類太陽(yáng)恒星的周圍發(fā)現(xiàn)行星。從1995年開(kāi)始，天文學(xué)家終于在類太陽(yáng)恒星的周圍陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了行星，很快將人們的視線吸引了過(guò)去。脈沖星PSR B1257+12周圍的行星A、B、C 被人們淡忘了。

但是，這種被稱為“幻影行星”的天體并沒(méi)有就此銷聲匿跡，仍時(shí)不時(shí)地出現(xiàn)在人們的視野中。1993年，美國(guó)加州理工學(xué)院的天文學(xué)家史蒂芬·索賽特（Stephen Thorsett）在另一顆脈沖星的周圍發(fā)現(xiàn)了一顆行星質(zhì)量的天體，這就是行星PSR B1620-26 b。這顆行星同沃爾茲剛發(fā)現(xiàn)的行星很不一樣，它的質(zhì)量是木星質(zhì)量的2.5倍，超過(guò)沃爾茲剛發(fā)現(xiàn)的行星質(zhì)量的100倍。它繞脈沖星公轉(zhuǎn)的方式也很特別，其公轉(zhuǎn)軌道很大，周期達(dá)100年。人們還發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)系統(tǒng)中，那顆脈沖星的旁邊還有一顆伴恒星。而且，這顆行星的年齡也很大，達(dá)到了127億歲，是人們迄今發(fā) 的最高壽的行星。

從紅巨星到白矮星

到了2011年，更新鮮的事發(fā)生了。一組射電天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第三個(gè)繞脈沖星運(yùn)行的行星系統(tǒng)，而且這個(gè)系統(tǒng)中的行星與此前發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)系統(tǒng)中的行星又不相同。這一次，行星的質(zhì)量與木星相似，但其密度則至少是木星的10倍，比鉛還要結(jié)實(shí)。

這一觀測(cè)若得到證實(shí)，那么這顆恒星的外層就很可能是碳，并且是晶體形態(tài)的碳。當(dāng)然，它還有一個(gè)更為人熟知的名字，鉆石。

迄今，人們?cè)诿}沖星周圍發(fā)現(xiàn)的行星都很不相同?？茖W(xué)家推測(cè)，在銀河系中，以脈沖星為中心的行星系統(tǒng)應(yīng)該還有很多，但現(xiàn)在的射電望遠(yuǎn)鏡很難發(fā)現(xiàn)它們。沃爾茲剛希望能再次使用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡搜索星空，從而有進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在，他有了另外一個(gè)更加引人注目的計(jì)劃，那就是研究一個(gè)更大的恒星族群，從而找到另一種類型的“幻影行星”。

現(xiàn)在人們知道， 只有質(zhì)量非常大的恒星才能演化成脈沖星，所以脈沖星在宇宙中相對(duì)并不多。在我們的銀河系中，大約97%的恒星都不能演化成脈沖星，它們有一個(gè)完全不同的演化路徑，那就是先變成紅巨星，再變成一顆白矮星。這也是太陽(yáng)的宿命。

當(dāng)太陽(yáng)進(jìn)入老年階段，它會(huì)變得橘紅，星體慢慢膨脹，成為一顆紅巨星。那時(shí)太陽(yáng)的個(gè)頭將是現(xiàn)在的200倍，它慢慢地變得越來(lái)越亮，個(gè)頭越來(lái)越大，然后吞掉金星和水星。

變成紅巨星后，太陽(yáng)并不會(huì)停止演化，它內(nèi)部的核反應(yīng)越來(lái)越不穩(wěn)定，時(shí)而膨脹，時(shí)而收縮。當(dāng)它的能量再也無(wú)法支撐其自身引力的時(shí)候，它便只好坍塌下去，于是它的中心有了一個(gè)密度極高的核。開(kāi)始的時(shí)候，這個(gè)核被一些星云物質(zhì)包裹著，被稱為行星狀星云，但一段時(shí)間后，星云散去，我們便可以看到在紅巨星的內(nèi)部誕生了一顆白矮星。

白矮星的顏色偏白， 因?yàn)樗€有殘存的能量，發(fā)出暗淡的白光。由于坍塌產(chǎn)生的壓力，白矮星被壓縮到很小，因而其密度很大。它雖然失去了新的能量來(lái)源，但殘存的能量依然使它發(fā)出光和熱。

白矮星周圍的生命行星

假如你要了解那些死亡后又重生的行星，那么紅巨星就是最好的觀察對(duì)象。沃爾茲剛招募了一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，從2004年至今，觀測(cè)了大約1000顆恒星，其中絕大多數(shù)是紅巨星。沃爾茲剛說(shuō)：“探測(cè)紅巨星周圍的行星能使你知道，當(dāng)一顆恒星開(kāi)始演化，逐漸失去質(zhì)量，膨脹成一顆紅巨星的時(shí)候，它所在的行星系統(tǒng)會(huì)發(fā)生什么樣的事情?！?/p>

到目前為止，這一科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)40個(gè)這樣的行星系統(tǒng)，因此他們能夠描述當(dāng)太陽(yáng)變成一顆紅巨星的時(shí)候，我們的家園會(huì)發(fā)生什么。到那時(shí)，地球會(huì)變得非常熱，而火星則溫暖起來(lái)。再后來(lái)，木星和土星的衛(wèi)星也開(kāi)始從冰封的狀態(tài)中醒過(guò)來(lái)，甚至孕育出勃勃生機(jī)。當(dāng)太陽(yáng)熱到極端的時(shí)候，它的能量甚至能使冥王星也變成一個(gè)溫暖的星球。

變成紅巨星的太陽(yáng)最終會(huì)毀掉行星生存的環(huán)境。它拋掉自身的外層物質(zhì)，質(zhì)量隨之減少，引力變得小起來(lái)。于是，它周圍的行星開(kāi)始向外遷移，它們有了新的軌道，整個(gè)行星系統(tǒng)變得混亂和躁動(dòng)，軌道交叉、行星碰撞。而與此同時(shí)，太陽(yáng)依然在膨脹，事情還在進(jìn)一步發(fā)展。

現(xiàn)在的研究還無(wú)法確定地球的命運(yùn)究竟會(huì)怎樣，它可能依然是一個(gè)巖石星球，但不會(huì)再有生命了，而水星和金星則將被汽化。

沃爾茲剛及其同事在宇宙中找到了一個(gè)實(shí)例，即一顆名為BD+48 740的紅巨星。他們發(fā)表的研究結(jié)果說(shuō)，這顆紅巨星的表層含有大量的鋰。 鋰是行星中普遍含有的元素，但在恒星中則幾乎從未被發(fā)現(xiàn)，那么紅巨星BD+48 740的表層為什么會(huì)有鋰呢？這些科學(xué)家解釋說(shuō)，那些鋰應(yīng)該來(lái)自被燒毀的行星。此外，這些科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，這顆紅巨星的周圍運(yùn)行著一顆很怪異的行星，它比木星大一點(diǎn)，運(yùn)行軌道很奇特，是一個(gè)扁扁的橢圓，表明這個(gè)行星受到了外力的擾動(dòng)，從而形成了非同尋常的軌道。這是紅巨星的膨脹致使周圍行星運(yùn)行混亂導(dǎo)致的結(jié)果。

值得注意的是， 沃爾茲剛及其同事在論文中還指出，當(dāng)紅巨星演變成白矮星以后，它的旁邊也有可能產(chǎn)生可居住的生命行星。這些科學(xué)家解釋說(shuō)，白矮星形成后，它的周圍會(huì)有一個(gè)由碎片組成的盤(pán)，其中的物質(zhì)能凝結(jié)成行星。雖然白矮星已停止了“制造”熱量，但它還在發(fā)揮“余熱”，因此，假如有一顆行星形成于離白矮星很近的地方（大約為地球和太陽(yáng)之間的距離的1%），那么它就依然有可能得到充足的熱量，從而演化成一顆生命行星。這是一個(gè)從舊世界的灰燼中浴火重生的新世界，在這種情況下，生命仍然有可能在舊行星系統(tǒng)的殘骸中重新出現(xiàn)。

白矮星冷卻得很慢，它有足夠的時(shí)間為行星提供熱量，而行星上的生命也有足夠的時(shí)間完成它們的演化。因此，科學(xué)家有關(guān)生命行星的推測(cè)應(yīng)該是站得住腳的。