这个星球，本不应该存在

来源：环球科学　2023-07-27 18:56:39

8 Ursae Minoris b的艺术概念图图片来源：NASA

天文学家发现了一颗奇特的系外行星 8 Ursae Minoris b， 它本应该被它的主恒星吞噬，不知为何却“逃过一劫” 。8 Ursae Minoris b与它环绕的主星距离仅有日地距离的一半，而且现有的迹象表明，这颗主星已经历了膨胀阶段。通常在这个阶段，主星会急剧膨胀，并吞噬轨道内的一切天体，甚至还会波及周边的部分天体。然而8 Ursae Minoris b好像确实“幸存”下来了。

对于这颗令人费解的行星，天文学家提出了很多可能的解释，但还没有非常可靠的理论。发现这颗行星的人认为，它之所以能存活下来，可能是因为它的主星吞噬了一颗白矮星，这个过程使主星“分心”，因而没有吞噬这颗行星。

8 Ursae Minors b是通过 视向速度法 发现的，这种方法需要寻找行星绕轨道运行并牵引恒星来回移动时，恒星光芒所产生的变化。这种牵引会使恒星光谱在视线方向（也就是朝向地球）发生波动，当行星将恒星拉向地球时产生蓝移，使恒星远离地球时产生红移。

发现8 Ursae Minoris b的天文台照片图片来源：NASA

但是行星不太可能将恒星直接牵引向地球，因此我们倾向于只测量它沿地球朝向的运动分量。对于一颗行星，如果它的质量较轻且轨道朝向地球，或者它的质量较重且有相对倾斜的轨道，那么我们也能在它的恒星上观测到同样的运动形式。 通过视向速度法，我们至多能估算出这颗行星的最小质量，但它的实际质量有可能更大一些。

观测结果显示，8 Ursae Minoris b是一颗巨大的行星，其质量至少是木星质量的倍。而且它的轨道很靠近主星，仅需93天就可以绕轨运行一周，这意味着它距离主星仅有个天文单位（AU，太阳和地球的平均距离）。

8 Ursae Minoris b与太阳的对比图片来源：NASA

从观测数据中，天文学家推测出在距离恒星至少五个天文单位的位置，可能存在第二个绕主星运动的天体。虽然现有数据并不能充分证实第二个天体的存在，但这项发现也许在塑造整个恒星系统时发挥了重要作用。

8 Ursae Minoris 系外系统本身并没有什么特殊之处，但是考虑到这颗位于系统中央的恒星，一切都变得很奇怪。

令人费解的存在

观测表明恒星8 Ursae Minoris的质量约为倍太阳质量，但相比太阳而言，它的年龄显然更大。这颗恒星好像已历经了氢燃料开始枯竭的阶段，随着富氦核心不断增长，它的周围出现了一个薄薄的氢燃烧大气层，使恒星不断地膨胀。最终，8 Ursae Minoris转变为一颗以氦聚变为燃料的更热、更致密的恒星。

但这其中存在一个问题。基于恒星的质量推测，它应该一直膨胀到其边缘延申至个天文单位的状态。而8 Ursae Minoris b的轨道半径为个天文单位，也就是说，它曾经应该已处在恒星氢燃烧包层覆盖的范围内。 而且据我们所知，没有行星能从这个过程中幸存。 计算表明，在这种情况下，行星将会与恒星大气发生摩擦，导致它快速失去轨道速度，并迅速地螺旋下降、跌落至恒星的核心而被吞噬。天文学家从未在与8 Ursae Minoris具有同样年龄和大小的恒星周围观测到绕转的行星，这表明了上述计算是正确的。

因此这颗行星本应该消失的，但为什么它还在呢？

天文学家认为，其中一个原因可能是，8 Ursae Minoris b是一个比地球质量大得多的天体—— 它大到足以在被恒星包层包围后仍能存活下来。 相比地球而言，它的运行轨道或许也更为倾斜。但是研究者计算出，能实现这一点的轨道并不多，他们估计这种情况发生的概率仅有约%。

同样地，他们也排除了另外一种解释： 这颗行星曾经一度以更加安全的距离绕恒星运转，只是在恒星达到最大尺寸的时候被拉近了。 然而，计算再次证明发生这种情况的可能性非常小。几乎所有使行星向内运动的轨道都会导致它持续地螺旋下降，并最终将向主星坠落。如果这个靠近的过程足够缓慢，行星与恒星间的潮汐作用或许能使轨道稳定，但是这种运动可能需要数十亿年，然而像8 Ursae Minoris这样大小的恒星，它的氦燃料只够燃烧约一亿年。

有可靠的解释吗？

与此前相反，参与这项新研究的科学家认为， 8 Ursae Minoris系统最初可能是行星围绕着一对恒星旋转的。 现在我们观测到的8 Ursae Minoris是两颗恒星中比较小的那个，这就意味着较大的恒星先一步成熟并开始膨胀。随着它逐渐膨胀，较小的恒星最终夺走了较大恒星的大气，同时阻止了它与行星的接触，使这个曾经更大一些的恒星变成了一颗收缩的富氦核心。

多亏吸积了这些额外的物质，8 Ursae Minoris能够经历它自己的膨胀阶段。膨胀过程会使它的包层再次靠近另一颗恒星，并在这一次将它吞噬。这会导致原本先膨胀的恒星遗留下的富氦核心坠入8 Ursae Minoris的核内，引发氦聚变并结束膨胀过程。

双星系统中行星可能不会被吞噬的理论示意图图片来源：Brooks G. Bays, Jr, SOEST/University of Hawai"i

这种情形的关键之处在于，两颗恒星的包层都不会膨胀到足以抵达行星轨道。 虽然近距离双星系统的形成需要一系列特定的相互作用，但这其实是宇宙中一种相对常见的现象。然而当双星系统被发现时，通常还会有另一颗恒星在距离系统较远的地方运行，这或许可以解释在视向速度数据中发现的另一颗伴星的迹象。

这种理论推测，所有这些过程都将使8 Ursae Minoris比一般的同类型恒星含有更多的锂元素。而观测数据表明，它的确富含锂元素。

不管对于这颗奇特行星存在的解释如何，这项发现都提醒了我们： 在宇宙这样浩瀚的空间里，不同寻常的事情一直在发生。

撰文：约翰·蒂默（John Timmer）翻译：张湘荷审校：不周

原文链接： /science/2023/06/planet-that-should-have-been-swallowed-by-its-star-somehow-still-orbits/

论文链接：

/articles/s41586-023-06029-0

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