8 Ursae Minoris b的藝術(shù)概念圖
圖片來源：NASA
撰文 | 約翰·蒂默（John Timmer）
翻譯 | 張湘荷
審校 | 不周
天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆奇特的系外行星 8 Ursae Minoris b，它本應(yīng)該被它的主恒星吞噬，不知為何卻“逃過一劫”。8 Ursae Minoris b與它環(huán)繞的主星距離僅有日地距離的一半，而且現(xiàn)有的跡象表明，這顆主星已經(jīng)歷了膨脹階段。通常在這個階段，主星會急劇膨脹，并吞噬軌道內(nèi)的一切天體，甚至還會波及周邊的部分天體。然而8 Ursae Minoris b好像確實“幸存”下來了。
對于這顆令人費(fèi)解的行星，天文學(xué)家提出了很多可能的解釋，但還沒有非?？煽康睦碚摗０l(fā)現(xiàn)這顆行星的人認(rèn)為，它之所以能存活下來，可能是因為它的主星吞噬了一顆白矮星，這個過程使主星“分心”，因而沒有吞噬這顆行星。
巨大而炎熱的行星
8 Ursae Minors b是通過視向速度法發(fā)現(xiàn)的，這種方法需要尋找行星繞軌道運(yùn)行并牽引恒星來回移動時，恒星光芒所產(chǎn)生的變化。這種牽引會使恒星光譜在視線方向（也就是朝向地球）發(fā)生波動，當(dāng)行星將恒星拉向地球時產(chǎn)生藍(lán)移，使恒星遠(yuǎn)離地球時產(chǎn)生紅移。
發(fā)現(xiàn)8 Ursae Minoris b的天文臺照片
圖片來源：NASA
但是行星不太可能將恒星直接牽引向地球，因此我們傾向于只測量它沿地球朝向的運(yùn)動分量。對于一顆行星，如果它的質(zhì)量較輕且軌道朝向地球，或者它的質(zhì)量較重且有相對傾斜的軌道，那么我們也能在它的恒星上觀測到同樣的運(yùn)動形式。通過視向速度法，我們至多能估算出這顆行星的最小質(zhì)量，但它的實際質(zhì)量有可能更大一些。
觀測結(jié)果顯示，8 Ursae Minoris b是一顆巨大的行星，其質(zhì)量至少是太陽質(zhì)量的1.6倍。而且它的軌道很靠近主星，僅需93天就可以繞軌運(yùn)行一周，這意味著它距離主星僅有0.5個天文單位（AU，太陽和地球的平均距離）。
8 Ursae Minoris b與太陽的對比
圖片來源：NASA
從觀測數(shù)據(jù)中，天文學(xué)家推測出在距離恒星至少五個天文單位的位置，可能存在第二個繞主星運(yùn)動的天體。雖然現(xiàn)有數(shù)據(jù)并不能充分證實第二個天體的存在，但這項發(fā)現(xiàn)也許在塑造整個恒星系統(tǒng)時發(fā)揮了重要作用。
8 Ursae Minoris 系外系統(tǒng)本身并沒有什么特殊之處，但是考慮到這顆位于系統(tǒng)中央的恒星，一切都變得很奇怪。
令人費(fèi)解的存在
觀測表明恒星8 Ursae Minoris的質(zhì)量約為1.5倍太陽質(zhì)量，但相比太陽而言，它的年齡顯然更大。這顆恒星好像已歷經(jīng)了氫燃料開始枯竭的階段，隨著富氦核心不斷增長，它的周圍出現(xiàn)了一個薄薄的氫燃燒大氣層，使恒星不斷地膨脹。最終，8 Ursae Minoris轉(zhuǎn)變?yōu)橐活w以氦聚變?yōu)槿剂系母鼰帷⒏旅艿暮阈恰?/span>
但這其中存在一個問題?；诤阈堑馁|(zhì)量推測，它應(yīng)該一直膨脹到其邊緣延申至0.7個天文單位的狀態(tài)。而8 Ursae Minoris b的軌道半徑為0.5個天文單位，也就是說，它曾經(jīng)應(yīng)該已處在恒星氫燃燒包層覆蓋的范圍內(nèi)。而且據(jù)我們所知，沒有行星能從這個過程中幸存。計算表明，在這種情況下，行星將會與恒星大氣發(fā)生摩擦，導(dǎo)致它快速失去軌道速度，并迅速地螺旋下降、跌落至恒星的核心而被吞噬。天文學(xué)家從未在與8 Ursae Minoris具有同樣年齡和大小的恒星周圍觀測到繞轉(zhuǎn)的行星，這表明了上述計算是正確的。
因此這顆行星本應(yīng)該消失的，但為什么它還在呢？
天文學(xué)家認(rèn)為，其中一個原因可能是，8 Ursae Minoris b是一個比地球質(zhì)量大得多的天體——它大到足以在被恒星包層包圍后仍能存活下來。相比地球而言，它的運(yùn)行軌道或許也更為傾斜。但是研究者計算出，能實現(xiàn)這一點的軌道并不多，他們估計這種情況發(fā)生的概率僅有約0.8%。
同樣地，他們也排除了另外一種解釋：這顆行星曾經(jīng)一度以更加安全的距離繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)，只是在恒星達(dá)到最大尺寸的時候被拉近了。然而，計算再次證明發(fā)生這種情況的可能性非常小。幾乎所有使行星向內(nèi)運(yùn)動的軌道都會導(dǎo)致它持續(xù)地螺旋下降，并最終將向主星墜落。如果這個靠近的過程足夠緩慢，行星與恒星間的潮汐作用或許能使軌道穩(wěn)定，但是這種運(yùn)動可能需要數(shù)十億年，然而像8 Ursae Minoris這樣大小的恒星，它的氦燃料只夠燃燒約一億年。
有可靠的解釋嗎？
與此前相反，參與這項新研究的科學(xué)家認(rèn)為，8 Ursae Minoris系統(tǒng)最初可能是行星圍繞著一對恒星旋轉(zhuǎn)的。現(xiàn)在我們觀測到的8 Ursae Minoris是兩顆恒星中比較小的那個，這就意味著較大的恒星先一步成熟并開始膨脹。隨著它逐漸膨脹，較小的恒星最終奪走了較大恒星的大氣，同時阻止了它與行星的接觸，使這個曾經(jīng)更大一些的恒星變成了一顆收縮的富氦核心。
多虧吸積了這些額外的物質(zhì)，8 Ursae Minoris能夠經(jīng)歷它自己的膨脹階段。膨脹過程會使它的包層再次靠近另一顆恒星，并在這一次將它吞噬。這會導(dǎo)致原本先膨脹的恒星遺留下的富氦核心墜入8 Ursae Minoris的核內(nèi)，引發(fā)氦聚變并結(jié)束膨脹過程。
這種情形的關(guān)鍵之處在于，兩顆恒星的包層都不會膨脹到足以抵達(dá)行星軌道。雖然近距離雙星系統(tǒng)的形成需要一系列特定的相互作用，但這其實是宇宙中一種相對常見的現(xiàn)象。然而當(dāng)雙星系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)時，通常還會有另一顆恒星在距離系統(tǒng)較遠(yuǎn)的地方運(yùn)行，這或許可以解釋在視向速度數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的另一顆伴星的跡象。
這種理論推測，所有這些過程都將使8 Ursae Minoris比一般的同類型恒星含有更多的鋰元素。而觀測數(shù)據(jù)表明，它的確富含鋰元素。
不管對于這顆奇特行星存在的解釋如何，這項發(fā)現(xiàn)都提醒了我們：在宇宙這樣浩瀚的空間里，不同尋常的事情一直在發(fā)生。
原文鏈接：
https://arstechnica.com/science/2023/06/planet-that-should-have-been-swallowed-by-its-star-somehow-still-orbits/
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06029-0
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