原创 赵冬瑶 天文爱好者杂志 2023-09-11 16:00 发表于北京
01 发现首颗双面白矮星
白矮星Janus的艺术图。它的大气一侧由氢组成（右边），另一侧由氦组成（左边）。Credit：K.Miller, Caltech/IPAC
一个天文学家团队在例行利用巡天数据寻找死亡恒星的残骸白矮星时，他们偶然发现了来自一颗白矮星的奇怪信号。经过多次验证后，结果令研究人员大吃一惊：他们首次发现了一颗两面截然不同的白矮星，其一侧大气由氢组成，另一侧则由氦组成。该研究结果发表于2023年7月19日的《自然》杂志。
白矮星是曾经像太阳一样的恒星的演化残骸。此次发现的奇特的白矮星名为ZTF J203349.8+322901.1，距离地球1000多光年，自转周期为15分钟，最初是由Zwicky Transient Facility （ZTF）所发现，并且由于其亮度的快速变化而引起了研究人员的注意。研究人员继而利用凯克天文台的频谱仪对该颗白矮星的大气进行了光谱观测。数据显示，它东西两个半球的大气展现出两种完全不同的元素：当白矮星的一侧进入视野时，存在氢且没有氦的迹象，而当另一侧进入视野时，则仅存在氦。这就像篮球从中间被切开一样。尽管分离可能不完全是一半对一半，但研究人员看到的分离现象足够明显，揭示了该白矮星大气戏剧性的双面性质。研究人员昵称这颗白矮星为“Janus”，原义为罗马神话中的两面神。
事实上，氢和氦都是白矮星大气的重要组成成分。天文学家在理论上认为，当白矮星形成后，较重的元素如氦会沉入其大气的底部，而较轻的元素如氢则会移动到上层。随着时间的推移，白矮星不断冷却，这些元素在大气中也会逐渐混合在一起。当氢进入底部时，会被稀释，从而氦在上层变得更加显著。Janus可能正在经历这样一个过渡阶段。但是问题出现了：为什么这一过渡会在白矮星大气的两侧呈现出如此明显不同的速度，即一侧先于另一侧完成元素混合？
研究团队认为答案可能在于磁场。天体周围的磁场往往是不对称的，有时一侧的磁场会更强。磁场可以防止大气中的元素混合。因此，如果白矮星一侧的磁场更强，那么该侧大气中的元素混合就会更少更慢，从而呈现出更多的氢。研究团队也提出了另一种可能的解释，这种解释也依赖于白矮星的磁场，即磁场可能会导致白矮星大气的气压降低，而这可能会让磁场最强的地方形成氢的“海洋”。
氢氦这两种元素存在如此明显强烈的分离，这种现象还是第一次在白矮星上发现；并且这种分离已经稳定的保持了至少几年时间。这挑战了天文学家对白矮星大气的理解。研究人员希望他们能够在未来的ZTF数据中发现更多像Janus这样的白矮星，以更加深入的理解其中的物理机制。
02 在类地行星形成区域首次发现水
PDS 70行星系统的艺术图。在通常是类地行星形成的区域，JWST探测到了水的存在。Credit：MPIA
地球上有水的地方几乎就可以发现生命。以此作为类比，在寻找潜在的宜居系外行星时，是否能够找到水的存在，对天文学家而言便非常重要。一项新的研究表明，在一颗年轻恒星周围的气体和尘埃盘的内部区域，即预计形成类地行星的区域，天文学家们首次发现了水；这暗示着岩质行星从形成的那一刻起，就可能已经拥有大量的水。
天文学家一直在争论水是如何到达地球的，以及这个过程是否也能让其他恒星周围的岩质行星适合居住。先前有研究表明，含水小行星不断撞击新生地球表面，可以使地球获取大量的水。现在，最新的观测证据表明，水也可以作为岩质行星形成时的初始成分之一，在诞生时就存在。
在这项新研究中，研究人员重点关注了距离地球约370光年的年轻恒星PDS 70。PDS 70的质量约为太阳的四分之三，年龄为540万年左右，相比之下太阳的年龄约为46亿年。PDS 70是一颗与太阳相似的恒星，只是更年轻、更冷。通过对它的观测，天文学家可以追溯太阳系中的行星是如何形成的，以及行星在完全形成之前的化学成分。
研究人员利用搭载在韦布空间望远镜（JWST）上的中红外仪，对PDS 70周围由气体和尘埃组成的盘进行了光谱观测，并对接收到的红外辐射光谱特征进行了分析。在盘内部靠近PDS 70的区域，他们分解出了显著的水的光谱特征，并且发现水以热蒸气的形式大量存在，温度约为330摄氏度（约600开尔文）。这一发现非常令人兴奋，因为探测到存在水的区域，是岩质行星通常形成的区域。作为一个相对古老的原行星盘，PDS 70是天文学家第一个探测到水存在的系统。之前的研究从未能在年龄相似的盘内部区域检测到水，这导致天文学家一直认为，来自年轻恒星的强烈辐射可能会摧毁几乎所有的水，从而导致非常干燥的岩质行星的形成环境。但此次的新发现挑战了这一观点。虽然天文学家在距离PDS 70较远的位置上发现了两颗气态巨行星（也就是PDS 70b和PDS 70c），但尚未在PDS 70附近的盘内发现任何行星。尽管如此，未来任何在此富含水的环境中形成的岩质行星，都将在其生命周期开始时，便能够受益于水的存在。
PDS 70附近存在水有点出乎意料。对于水的来源，研究人员认为一种可能的解释是，PDS 70形成于富含水的星云，水是PDS 70形成过程中残留下来的；而行星形成区中的尘埃等物质可能会对这些水形成保护，使其免受年轻恒星破坏性辐射的影响。另一种可能是，进入PDS 70附近的盘外缘的氧气和氢气，二者可能会结合形成水蒸气，而水蒸气又会随着时间的推移，漂向更靠近恒星的区域。研究团队将继续他们的观测，以研究水在年轻恒星周围的类地行星形成区域中是否普遍存在，或者PDS 70是否只是一个例外。该研究发表于2023年7月24日的《自然》杂志。
03 首次发现系外共轨行星
PDS 70行星系统的ALMA图像。中心为PDS 70，黄色实心圆圈即为行星PDS 70b，并围绕中心运行。在与PDS 70b相同的轨道上（实心黄色大椭圆），天文学家探测到一团尘埃云（黄色虚线圆圈），暗示着PDS70b共轨行星的存在。Credit：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / Balsalobre-Ruza等人。
最近，天文学家利用阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA），发现了一颗系外行星的共轨行星。这是天文学家首次发现系外行星可以共享同一个轨道围绕恒星运动。该研究结果于2023年7月19日发表在《天文学与天体物理学》杂志上。
在我们的太阳系中，共轨天体最著名的例子是木星的特洛伊型小行星。这是一个由12000多个岩石质小天体组成的族群，并和木星处于同一轨道上，围绕太阳公转。天文学家相信特洛伊型天体，特别是以行星的形式，即特洛伊型行星，应该存在于其他的恒星系统中。至少二十年前，天文学家就理论预言了成对行星可能共享相同的轨道绕其恒星运动。他们认为，当一颗行星形成时，周围原行星盘上的尘埃云就会被困在行星轨道上的两个延伸区域，即拉格朗日区。在此区域中，恒星和行星的引力共同作用，可以保持物质的稳定，尘埃云最终会形成特洛伊型行星。但特洛伊型行星就像独角兽：理论上允许它们的存在，但之前从未被发现过。所以，这次的研究结果非常令人兴奋；因为这是迄今为止，所提供的第一个系外共轨行星的观测证据，为行星系统如何形成提供了重要线索。
此次发现的共轨行星存在于恒星PDS 70系统中。PDS 70是一颗年轻的恒星，其行星系统处于形成的早期阶段，仍被原行星盘包围，目前观测到了两颗气态巨行星的存在。研究人员估计了这两颗行星拉格朗日区的位置，并利用ALMA对这些区域进行了观测。在其中一颗类木行星PDS 70b的一个拉格朗日区内，研究人员探测到了微弱的射电波段信号，表明那里存在一团尘埃云。在计算后发现，这个尘埃云的质量高达月球的两倍左右；因此研究团队认为，这团大质量的尘埃云最终可能会塌缩形成一颗新行星，或者它们是曾经存在的行星的残留物。不论如何，这都意味着PDS 70b的共轨行星的存在。为了完全证实此次的研究结果，研究团队将会继续利用ALMA对PDS 70b及尘埃云进行观测，以确认尘埃云是否和PDS 70b一起，沿着相同的公转轨道移动。
天文学家认为，特洛伊型行星还可以干预大型卫星的形成。目前最被接受的有关月球形成的一个理论认为，地球与其一颗共轨行星的撞击是月球形成的原因。此外，虽然地球可能曾经有过自己的特洛伊型行星，但现今的太阳系中并没有任何特洛伊型行星。这可能意味着，即使特洛伊型行星能够形成，它们在长时间的尺度上也可能很不稳定。此次的新发现引发了关于特洛伊型行星的形成、演化以及它们在不同行星系统中出现的频率和影响的新问题，这将激发新的探索，为系外行星领域带来突破。
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