原創(chuàng) 趙冬瑤 天文愛好者雜志 2023-09-11 16:00 發(fā)表于北京
01 發(fā)現(xiàn)首顆雙面白矮星
一個天文學(xué)家團隊在例行利用巡天數(shù)據(jù)尋找死亡恒星的殘骸白矮星時逢净，他們偶然發(fā)現(xiàn)了來自一顆白矮星的奇怪信號脯燃。經(jīng)過多次驗證后劲腿，結(jié)果令研究人員大吃一驚：他們首次發(fā)現(xiàn)了一顆兩面截然不同的白矮星俏险，其一側(cè)大氣由氫組成，另一側(cè)則由氦組成水由。該研究結(jié)果發(fā)表于2023年7月19日的《自然》雜志荠呐。
白矮星是曾經(jīng)像太陽一樣的恒星的演化殘骸。此次發(fā)現(xiàn)的奇特的白矮星名為ZTF J203349.8+322901.1砂客，距離地球1000多光年泥张，自轉(zhuǎn)周期為15分鐘，最初是由Zwicky Transient Facility （ZTF）所發(fā)現(xiàn)鞠值，并且由于其亮度的快速變化而引起了研究人員的注意媚创。研究人員繼而利用凱克天文臺的頻譜儀對該顆白矮星的大氣進行了光譜觀測。數(shù)據(jù)顯示彤恶，它東西兩個半球的大氣展現(xiàn)出兩種完全不同的元素：當(dāng)白矮星的一側(cè)進入視野時钞钙，存在氫且沒有氦的跡象，而當(dāng)另一側(cè)進入視野時声离，則僅存在氦芒炼。這就像籃球從中間被切開一樣。盡管分離可能不完全是一半對一半术徊，但研究人員看到的分離現(xiàn)象足夠明顯本刽，揭示了該白矮星大氣戲劇性的雙面性質(zhì)。研究人員昵稱這顆白矮星為“Janus”弧关，原義為羅馬神話中的兩面神。
事實上唤锉，氫和氦都是白矮星大氣的重要組成成分世囊。天文學(xué)家在理論上認(rèn)為，當(dāng)白矮星形成后窿祥，較重的元素如氦會沉入其大氣的底部株憾，而較輕的元素如氫則會移動到上層。隨著時間的推移，白矮星不斷冷卻嗤瞎，這些元素在大氣中也會逐漸混合在一起墙歪。當(dāng)氫進入底部時，會被稀釋贝奇，從而氦在上層變得更加顯著虹菲。Janus可能正在經(jīng)歷這樣一個過渡階段。但是問題出現(xiàn)了：為什么這一過渡會在白矮星大氣的兩側(cè)呈現(xiàn)出如此明顯不同的速度掉瞳，即一側(cè)先于另一側(cè)完成元素混合毕源？
研究團隊認(rèn)為答案可能在于磁場。天體周圍的磁場往往是不對稱的陕习，有時一側(cè)的磁場會更強霎褐。磁場可以防止大氣中的元素混合。因此该镣，如果白矮星一側(cè)的磁場更強冻璃，那么該側(cè)大氣中的元素混合就會更少更慢，從而呈現(xiàn)出更多的氫损合。研究團隊也提出了另一種可能的解釋省艳，這種解釋也依賴于白矮星的磁場，即磁場可能會導(dǎo)致白矮星大氣的氣壓降低塌忽，而這可能會讓磁場最強的地方形成氫的“海洋”拍埠。
氫氦這兩種元素存在如此明顯強烈的分離，這種現(xiàn)象還是第一次在白矮星上發(fā)現(xiàn)土居；并且這種分離已經(jīng)穩(wěn)定的保持了至少幾年時間枣购。這挑戰(zhàn)了天文學(xué)家對白矮星大氣的理解。研究人員希望他們能夠在未來的ZTF數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)更多像Janus這樣的白矮星擦耀，以更加深入的理解其中的物理機制棉圈。
02 在類地行星形成區(qū)域首次發(fā)現(xiàn)水
地球上有水的地方幾乎就可以發(fā)現(xiàn)生命。以此作為類比德召，在尋找潛在的宜居系外行星時，是否能夠找到水的存在上岗，對天文學(xué)家而言便非常重要。一項新的研究表明肴掷，在一顆年輕恒星周圍的氣體和塵埃盤的內(nèi)部區(qū)域敬锐，即預(yù)計形成類地行星的區(qū)域，天文學(xué)家們首次發(fā)現(xiàn)了水呆瞻；這暗示著巖質(zhì)行星從形成的那一刻起，就可能已經(jīng)擁有大量的水痴脾。
天文學(xué)家一直在爭論水是如何到達(dá)地球的，以及這個過程是否也能讓其他恒星周圍的巖質(zhì)行星適合居住明郭。先前有研究表明买窟，含水小行星不斷撞擊新生地球表面，可以使地球獲取大量的水∈矶ǎ現(xiàn)在始绍，最新的觀測證據(jù)表明话侄，水也可以作為巖質(zhì)行星形成時的初始成分之一，在誕生時就存在年堆。
在這項新研究中，研究人員重點關(guān)注了距離地球約370光年的年輕恒星PDS 70变丧。PDS 70的質(zhì)量約為太陽的四分之三绪钥，年齡為540萬年左右，相比之下太陽的年齡約為46億年苏章。PDS 70是一顆與太陽相似的恒星顾复，只是更年輕鲁捏、更冷芯砸。通過對它的觀測给梅，天文學(xué)家可以追溯太陽系中的行星是如何形成的假丧，以及行星在完全形成之前的化學(xué)成分动羽。
研究人員利用搭載在韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）上的中紅外儀，對PDS 70周圍由氣體和塵埃組成的盤進行了光譜觀測婴噩，并對接收到的紅外輻射光譜特征進行了分析。在盤內(nèi)部靠近PDS 70的區(qū)域几莽，他們分解出了顯著的水的光譜特征宅静，并且發(fā)現(xiàn)水以熱蒸氣的形式大量存在，溫度約為330攝氏度（約600開爾文）姨夹。這一發(fā)現(xiàn)非常令人興奮，因為探測到存在水的區(qū)域磷账，是巖質(zhì)行星通常形成的區(qū)域。作為一個相對古老的原行星盤逃糟，PDS 70是天文學(xué)家第一個探測到水存在的系統(tǒng)。之前的研究從未能在年齡相似的盤內(nèi)部區(qū)域檢測到水菇肃，這導(dǎo)致天文學(xué)家一直認(rèn)為取募，來自年輕恒星的強烈輻射可能會摧毀幾乎所有的水琐谤，從而導(dǎo)致非常干燥的巖質(zhì)行星的形成環(huán)境玩敏。但此次的新發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了這一觀點。雖然天文學(xué)家在距離PDS 70較遠(yuǎn)的位置上發(fā)現(xiàn)了兩顆氣態(tài)巨行星（也就是PDS 70b和PDS 70c）聊品，但尚未在PDS 70附近的盤內(nèi)發(fā)現(xiàn)任何行星。盡管如此陈哑，未來任何在此富含水的環(huán)境中形成的巖質(zhì)行星伸眶，都將在其生命周期開始時惊窖，便能夠受益于水的存在厘贼。
PDS 70附近存在水有點出乎意料。對于水的來源毁欣，研究人員認(rèn)為一種可能的解釋是庇谆，PDS 70形成于富含水的星云凭疮，水是PDS 70形成過程中殘留下來的；而行星形成區(qū)中的塵埃等物質(zhì)可能會對這些水形成保護寞肖，使其免受年輕恒星破壞性輻射的影響。另一種可能是新蟆，進入PDS 70附近的盤外緣的氧氣和氫氣右蕊，二者可能會結(jié)合形成水蒸氣，而水蒸氣又會隨著時間的推移饶囚，漂向更靠近恒星的區(qū)域。研究團隊將繼續(xù)他們的觀測坯约，以研究水在年輕恒星周圍的類地行星形成區(qū)域中是否普遍存在，或者PDS 70是否只是一個例外横殴。該研究發(fā)表于2023年7月24日的《自然》雜志。
03 首次發(fā)現(xiàn)系外共軌行星
最近轧飞，天文學(xué)家利用阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣（ALMA）撒踪，發(fā)現(xiàn)了一顆系外行星的共軌行星大渤。這是天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)系外行星可以共享同一個軌道圍繞恒星運動。該研究結(jié)果于2023年7月19日發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》雜志上兼犯。
在我們的太陽系中集漾，共軌天體最著名的例子是木星的特洛伊型小行星。這是一個由12000多個巖石質(zhì)小天體組成的族群纬霞，并和木星處于同一軌道上，圍繞太陽公轉(zhuǎn)诗芜。天文學(xué)家相信特洛伊型天體埃疫，特別是以行星的形式伏恐，即特洛伊型行星栓霜，應(yīng)該存在于其他的恒星系統(tǒng)中。至少二十年前销凑，天文學(xué)家就理論預(yù)言了成對行星可能共享相同的軌道繞其恒星運動。他們認(rèn)為斗幼，當(dāng)一顆行星形成時抚垄，周圍原行星盤上的塵埃云就會被困在行星軌道上的兩個延伸區(qū)域，即拉格朗日區(qū)呆馁。在此區(qū)域中，恒星和行星的引力共同作用智哀，可以保持物質(zhì)的穩(wěn)定，塵埃云最終會形成特洛伊型行星屯吊。但特洛伊型行星就像獨角獸：理論上允許它們的存在，但之前從未被發(fā)現(xiàn)過盒卸。所以，這次的研究結(jié)果非常令人興奮蔽介；因為這是迄今為止，所提供的第一個系外共軌行星的觀測證據(jù)犀呼，為行星系統(tǒng)如何形成提供了重要線索薇组。
此次發(fā)現(xiàn)的共軌行星存在于恒星PDS 70系統(tǒng)中。PDS 70是一顆年輕的恒星律胀，其行星系統(tǒng)處于形成的早期階段，仍被原行星盤包圍炭菌，目前觀測到了兩顆氣態(tài)巨行星的存在。研究人員估計了這兩顆行星拉格朗日區(qū)的位置菇民，并利用ALMA對這些區(qū)域進行了觀測投储。在其中一顆類木行星PDS 70b的一個拉格朗日區(qū)內(nèi)，研究人員探測到了微弱的射電波段信號玛荞，表明那里存在一團塵埃云。在計算后發(fā)現(xiàn)勋眯，這個塵埃云的質(zhì)量高達(dá)月球的兩倍左右；因此研究團隊認(rèn)為塞蹭，這團大質(zhì)量的塵埃云最終可能會塌縮形成一顆新行星讶坯，或者它們是曾經(jīng)存在的行星的殘留物。不論如何，這都意味著PDS 70b的共軌行星的存在这刷。為了完全證實此次的研究結(jié)果，研究團隊將會繼續(xù)利用ALMA對PDS 70b及塵埃云進行觀測暇屋，以確認(rèn)塵埃云是否和PDS 70b一起洞辣，沿著相同的公轉(zhuǎn)軌道移動。
天文學(xué)家認(rèn)為扬霜，特洛伊型行星還可以干預(yù)大型衛(wèi)星的形成。目前最被接受的有關(guān)月球形成的一個理論認(rèn)為，地球與其一顆共軌行星的撞擊是月球形成的原因婴谱。此外，雖然地球可能曾經(jīng)有過自己的特洛伊型行星谭羔，但現(xiàn)今的太陽系中并沒有任何特洛伊型行星。這可能意味著客叉，即使特洛伊型行星能夠形成话告，它們在長時間的尺度上也可能很不穩(wěn)定。此次的新發(fā)現(xiàn)引發(fā)了關(guān)于特洛伊型行星的形成沙郭、演化以及它們在不同行星系統(tǒng)中出現(xiàn)的頻率和影響的新問題，這將激發(fā)新的探索吓著，為系外行星領(lǐng)域帶來突破。
