一颗恒星的死亡痛苦剧烈地扰乱了它的行星系,以至于留下的死恒星,即白矮星,正在吸走系统内外的碎片。这是天文学家首次观测到白矮星同时消耗岩石金属和冰质物质,这是行星的组成成分。

NASA哈勃太空望远镜和其他NASA观测站的档案数据对于诊断这起宇宙同类相食案件至关重要。这些发现有助于描述演化行星系统的剧烈性质,并可以告诉天文学家新形成系统的组成。

这些发现是基于对附近白矮星G238-44大气中捕获的物质的分析。白矮星是像我们的太阳一样的恒星在核聚变过程中,外层脱落并停止燃烧燃料后的残留物。“我们从未见过这两种物体同时吸积到一颗白矮星上。”首席研究员、加州大学洛杉矶分校本科毕业生特德·约翰逊说。“通过研究这些白矮星,我们希望对仍然完整的行星系统有更好地了解。”

这一发现也很有趣,因为人们认为小型冰状天体撞击并“灌溉”了我们太阳系中干燥的岩石行星。数十亿年前,彗星和小行星被认为向地球输送了水,为我们所知的生命创造了必要的条件。约翰逊说,检测到的雨落在白矮星上的天体的组成意味着冰库可能在行星系统中很常见。

这些发现也很有趣,因为小冰天体被认为是撞击并“灌溉”了我们太阳系中干燥的岩石行星。 数十亿年前,彗星和小行星被认为向地球输送了水,为我们所知的生命提供了必要的条件。 约翰逊说,探测到的落在白矮星上的天体的组成表明,冰水库可能在行星系统中很常见。

“我们所知的生命需要一个岩石星球,上面覆盖着碳、氮和氧等多种元素。”加州大学洛杉矶分校教授、合著者本杰明·扎克曼说。“我们在这颗白矮星上看到的元素的丰度似乎需要一个岩石和富含挥发性物质的母体——这是我们在数百颗白矮星的研究中发现的第一个例子。”

这张行星系统G238-44的图解说明了它的毁灭轨迹。这颗微小的白矮星处于行动的中心。 一个非常微弱的吸积盘是由落到白矮星上的碎片组成的。其余的小行星和行星体构成了围绕恒星的物质库。系统中可能仍存在较大的气态巨行星。更远的地方是彗星等冰冷天体带,它们最终也成为这颗死亡恒星的食物。
影像来源:NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)

撞车大赛

行星系统演化理论将红巨星和白矮星相之间的过渡描述为一个混沌过程。这颗恒星很快失去了它的外层,它的行星的轨道发生了巨大的变化。像小行星和矮行星这样的小天体,可能过于靠近巨行星而直线坠落到恒星上。这项研究证实了这一剧烈混乱阶段的真实规模,表明在白矮星阶段开始后的 1 亿年内,这颗恒星能够同时捕获和消耗其小行星带和柯伊伯带状区域的物质。

在这项研究中,估计最终被白矮星吞噬的总质量可能不超过一颗小行星或小卫星的质量。虽虽然没有直接测量到白矮星消耗的至少两个物体的存在,但很可能其中一个像小行星一样富含金属,另一个是类似于柯伊伯带太阳系边缘发现的冰体。

尽管天文学家已经对5,000多颗系外行星进行了编目,但我们对其内部构成有一些直接了解的唯一行星是地球。白矮星同类相食提供了一个独特的机会,可以将行星分开,看看它们最初在恒星周围形成时是由什么构成的。

研究小组测量了氮、氧、镁、硅和铁等元素的存在。铁的丰度非常高,这是地球、金星、火星和水星等类地行星金属核心存在的证据。出乎意料的高氮丰度使他们得出了冰体存在的结论。“与我们的数据最吻合的是类似水星的物质和类似彗星的物质的混合,它们由冰和尘埃组成,比例接近2:1。”约翰逊说。“铁金属和氮冰都表明行星形成条件大相径庭。目前还没有已知的太阳系天体同时具备这两种条件。”

行星系统的死亡

当像我们太阳这样的恒星在生命后期膨胀成一个红巨星时,它会通过膨胀外层而减少质量。由此产生的一个后果可能是任何剩余的大行星对小行星、彗星和卫星等小物体的引力散射。就像街机游戏中的弹球一样,幸存的物体可以被抛入高度偏心的轨道。

“在红巨星阶段之后,剩下的白矮星是致密的——不比地球大。这些难以控制的行星最终会变得非常接近恒星,并并经历了强大的潮汐力,将它们撕裂开来,形成一个气态和尘埃盘,最终落在白矮星的表面。”约翰逊解释说。

研究人员正在研究50亿年后太阳演化的最终情景。地球可能会和内行星一起完全蒸发。但是,主小行星带中许多小行星的轨道将受到木星的引力扰动,最终落在残余太阳所形成的白矮星上。

两年多来,加州大学洛杉矶分校、加州大学圣地亚哥分校和德国基尔大学的研究团队一直致力于通过分析在编号为G238-44的白矮星上检测到的元素来解开这个谜团。他们的分析包括来自NASA退役的远紫外光谱探测器(FUSE)、夏威夷凯克天文台的高分辨率阶梯光谱仪(HIRES)以及哈勃太空望远镜的宇宙起源光谱仪(COS)和太空望远镜成像光谱仪(STIS)的数据。

该团队的研究结果于2022年6月15日星期三在美国天文学会(AAS)新闻发布会上公布。

一颗恒星的死亡痛苦剧烈地扰乱了它的行星系,以至于留下的死恒星,即白矮星,正在吸走系统内外的碎片。这是天文学家首次观测到白矮星同时消耗岩石金属和冰质物质,这是行星的组成成分。NASA哈勃太空望远镜和其他NASA观测站的档案数据对于诊断这起宇宙同类相食案件至关重要。这些发现有助于描述演化行星系统的剧烈性质,并可以告诉天文学家新形成系统的组成。
视频来源:NASA’s Goddard Space Flight Center; 首席制片人:Paul Morris

哈勃太空望远镜是NASA和ESA(欧洲航天局)之间的国际合作项目。位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心负责管理该望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所(STScI)开展哈勃科学业务。 STScI 由位于华盛顿特区的大学天文学研究协会为NASA运营。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/hubble-dead-star-caught-ripping-up-planetary-system

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