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第一次在行动中捕捉一颗恒星吞噬了它最近的

来源:水星 时间:2024/12/2
刘军连治疗hpv http://pf.39.net/bdfyy/bjzkbdfyy/210901/9392486.html

如果你足够仔细地观察宇宙,用宽视野和足够长的一段时间,即使是最罕见的宇宙事件最终也会被当场捕获。在天文学的早期,夜空中的星星看起来是静止不变的,只有极少数例外。当我们开始更仔细地观察和记录宇宙时,我们看到了许多微妙的变化。

有些恒星会在短时间内暂时变亮,然后变回原来的亮度:经典新星。

其他恒星会周期性地变亮和变暗:变星的第一个例子,现在已知在整个宇宙中都很常见。

在非常罕见的情况下,一个新的光点会戏剧性地出现,在几周、几个月甚至几年内消失之前发出令人难以置信的光芒:超新星爆炸。

随着时间的推移,这些现象的数量、类型和种类越来越多:瞬态事件,即夜空中的物体随时间变化。

必须发生的一种瞬态事件是,当一颗类太阳恒星开始耗尽其核心燃料时,随着它的演化膨胀和膨胀到其原始大小的许多倍。最终,最里面的行星将与恒星的光球接触,导致它被完全吞噬。天文学家第一次发现了这种行为:一颗恒星吞噬了它最近的行星。以下是我们如何发现它的非凡故事,以及它教会我们关于我们太阳系最终命运的东西。

当太阳变成真正的红巨星时,地球本身可能会被吞噬或吞没,但它肯定会被前所未有的烘烤。然而,吞噬水星、金星甚至地球的任何影响是否会被遥远的外星文明注意到还有待观察。图片来源:维基共享资源/Fsgregs

如果你想寻找一种特定类型的事件,比如一颗恒星吞噬一颗围绕它的行星,你不能简单地建立一个单一的天文台来寻找它。宇宙太混乱了;随着时间的推移,许多物体会变亮和变暗,无论你看什么波长的光——无论你看在哪里或看多久——没有人,单一的观察可以明确地揭示当一颗恒星吞噬一颗行星时的样子。

幸运的是,我们不仅仅依靠一次观测,甚至不依赖于一个天文台,来拼凑宇宙中某处发生的事情。我们有一个天文台的组合,在不同的时间和不同的波长监测天空的不同部分,包括一些天文台,它们(几乎)一遍又一遍地观察整个天空,我们一起使用它们来重建发生的事情。

我们对有多少种不同的物理现象起作用也有令人印象深刻的理论理解,并且对许多类别的物体的观察记录,这些物体是这些现象的“经典”例子。正是通过以连贯的方式将所有这些知识综合在一起,我们才能达到科学知识的现代前沿,这使我们能够向前迈出一大步。

帕洛玛山的48英寸塞缪尔·奥斯钦望远镜是兹威基瞬态设施(ZTF)获取数据的地方。尽管它只是一个48英寸(1.3米)的望远镜,但其宽广的视野和快速的观测速度使其能够发现夜空中几乎所有其他天文台都无法发现的光学变化。学分:帕洛玛/加州理工学院

在最近的过去,我们通过这种方法确定了一整类新的瞬态物体:通过将我们的理论知识与一套多波长观测相结合。在光学方面,我们有全天空(或几乎全天空)天文台,定期扫描天空,寻找周期性的变化。其中包括夏威夷的Pan-STARRS和帕洛玛天文台的兹威基瞬态设施等望远镜。在其他波长的光中,我们有NEOWISE在太空中的红外眼以及来自Swift,INTEGRAL和Fermi等天文台的X射线和伽马射线视图。

这些不同的天空视图的结合,包括整个天空被这些天文台定期和周期性覆盖的事实,帮助我们重建了许多新类别的事件。其中包括:

潮汐破坏事件,恒星因离黑洞太近而被撕裂,

茧状超新星,也称为类似COV的事件,

两颗恒星合并在一起,其中较大的恒星包含较小的恒星,

伽马射线暴,

甚至来自活跃星系中心的超大质量黑洞的爆发或耀斑。

它确实是我们生活的一个动态的、不断变化的宇宙。

年9月14日,天文学家从银河系中心的超大质量黑洞(人马座A*)中发现了有史以来最大的X射线耀斑。在X射线中,在这些分辨率下看不到事件视界;“光”纯粹是圆盘状的。然而,我们可以肯定,只有留在事件视界之外的物质才会产生光;通过其中的物质被添加到黑洞的质量中,不可避免地落入黑洞的中心奇点。现在已知许多类型的瞬变存在于许多不同波长的光中。图片来源:NASA/CXC/阿默斯特学院/D.Haggard等人

但是,尽管以前的研究表明许多行星的轨道非常靠近它们的母星,但以前没有人见过一颗恒星真正“吃掉”它的一颗轨道行星。从理论角度来看,这是有道理的。当像太阳这样的恒星耗尽其核心的氢燃料时,它开始膨胀,这是分阶段进行的。

首先,它膨胀成为一颗次巨星,大小大约翻倍,并在惰性氦核心周围的壳中燃烧氢数千万年。

然后,在这个次巨星阶段结束时,它膨胀成一颗红巨星,大小是原始恒星的~倍,在短短几万年的时间尺度上迅速膨胀。

后来,在点燃其核心的氦后,它将逐渐吹掉其外层,最终耗尽燃料并收缩成行星状星云/白矮星组合。

在这些阶段,任何不幸离母星足够近的行星都会首先经历阻力的增加,因为越来越多的太阳粒子撞击它,导致它的轨道衰减,然后与太阳光球“接触”。在这一点上,它迅速被吞噬,可能导致恒星本身外观的全球变化。

在恒星生命的主要阶段,行星可以在距离它几乎任何距离的地方运行,包括非常近的距离。随着恒星的演化,它变成了一颗次巨星,最终成为一颗真正的巨星。随着恒星大小的增加,最内层行星上的摩擦阻力增加;最终,它将与母星接触并被母星吞噬。学分:国际双子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA/P.Marenfeld

但这只是理论上的情况;观察者甚至不确定在这次事件之前他们应该寻找什么。事实上,当涉及到监测整个天空的天文台时,比如兹威基瞬态设施,他们看到的最常见的事件类型是新星:恒星在一周左右的时间里变亮了几千倍,然后消失了。你通常确认“是的,这是我们看到的一颗新星”的方式是对这颗明亮的恒星进行后续观测并获取其光谱:将其光线分解成组成成分。如果它是新星,你会看到热气体:根据其密度和注入其中的热量,表现出不同程度的电离的气体。

这就是他们看到的一个特定物体开始显得相对不寻常的地方。一个来源看起来像一个相对懦弱的新星:在几天的时间里变亮了几百倍。但是当他们拍摄那颗恒星的光谱时,他们没有看到特定温度、密度和电离的热气体,而是根本没有看到热气体。相反,光谱特征显示了大量的分子吸收线,这需要在低温下气体。不知何故,这个增亮物体根本没有产生任何热气体,而是冷气体。

这张WR恒星及其周围物质的中红外视图显示了排出的物质产生的大量气体和尘埃。不仅沃尔夫-拉叶星产生了这种东西,而且许多进化的“浮肿”恒星也产生了这种恒星。一个巨大的近距离伴侣的存在可以增强这种效果。图片来源:NASA、ESA、CSA、STSci、WebbERO制作团队

如果气体是冷的,而不是热的,那么它应该吸收来自明亮恒星的光,并以更长的红外波长重新发射它。所以下一步是把地面上的红外望远镜对准这颗恒星,并跟踪最初的观测结果,看看它是否真的在红外线下很亮。

你瞧,确实如此。此外,它在红外线中的亮度远远超过任何经历其典型生命周期的正常恒星。这个想法是,恒星必须以某种方式具有:

喷射物质,

当它远离恒星膨胀时冷却,

然后凝结形成尘埃分子,

然后随后被恒星的辐射加热,

这导致它们发出这种特征性的红外光,

同时吸收光学光。

这让研究人员怀疑红外线中的这种增亮是否同时发生,或者是否有一些历史性的增亮。幸运的是,NEOWISE的数据可以追溯到十多年前,从它在太空中的位置,每六个月左右就用红外眼覆盖几乎整个天空。再一次,低头看,当兹威基瞬态设施看到增亮时,不仅这个光源在光学和红外线中同时变亮,而且NEOWISE数据显示,它甚至在爆发之前就开始在红外线中变亮。

这件艺术品展示了一颗炽热的巨大行星围绕一颗膨胀的类太阳恒星运行的合并前阶段。在此期间,一个或两个成员的外层可以被弹出,在恒星-行星系统周围形成一个物质库。合并完成后,该材料可以被加热,从而产生可观察到的特征特征。学分:K.Miller/R.Hurt(加州理工学院/IPAC)

此外,这颗恒星本身并不是像我们的太阳那样的主序星,而是一颗已经演化的类太阳恒星的例子,也许代表了我们的太阳在大约50亿到70亿年后将如何开始表现。它已经处于次巨星阶段,但尚未开始迅速转变为红巨星。相反,它与我们天空中最亮的次巨星Procyon非常相似,因为它在质量和温度方面与太阳相似,但直径约为太阳的两倍。根据这些不同望远镜随着时间的推移观察到的情况,我们可以重建事件的粗略时间线。

这颗次巨星开始变亮,包括在红外线中。

然后爆发了。

这种爆发导致光学和红外线迅速而严重的进一步变亮。

在爆发之后,冷分子尘埃在恒星周围形成。

然后,灰尘被加热,在红外线下闪耀。

虽然这种情况听起来很奇怪,但并非完全没有先例。天文学家以前见过完全相同的阶段发生过,尽管细节明显不同:当两颗恒星合并在一起时。

当恒星-行星系统或恒星-恒星系统非常接近时,两个物体相互之间的力会导致一个或两个成员的密度较低的外层向外弹出。当材料离开系统时,它会冷却,在那里它可以形成尘埃的分子云。学分:K.Miller/R.Hurt(加州理工学院/IPAC)

但与更典型的恒星合并不同,这次合并很微弱。当两颗恒星合并在一起时,它们的亮度通常会达到数万甚至数十万倍;这是一个引人注目的事件。但这一事件很微弱,亮度仅为典型恒星合并的百分之几。

为什么会这样呢?

就在那时,研究这个问题的科学家们突然想到了一个大想法:如果这颗恒星没有吞噬另一颗恒星,而是吞噬比恒星本身暗~0倍的东西:例如一颗气态巨行星。换句话说,它类似于恒星合并,但次要物体的质量比恒星低得多,导致一切都被缩小。

据观察,一切都从先前观察到的恒星合并类别中缩小了。亮度变化较小,排出的质量较少,恒星周围的尘埃碎片较少,等等。虽然太阳不会吞没水星和金星-后来也可能吞噬地球-直到它膨胀成为红巨星,但许多恒星系统的行星轨道非常接近它们的母星。在这种情况下,即使在次巨星阶段,一颗行星也可能足够接近被吞噬。

当轨道天体进入大质量恒星的光球时,恒星的大小会膨胀并大幅变亮,但也将停止喷出尘埃物质;这只是有关天文系统合并前阶段的一部分。学分:K.Miller/R.Hurt(加州理工学院/IPAC)

调查的下一步是诉诸于这个物理系统的建模,试图重现所看到的。褐矮星的次级质量能做到这一点吗?像木星这样的巨型行星,或者像土星这样质量较小的行星呢?那么质量更低的气态行星,如天王星或海王星呢?迷你海王星或超级地球呢?或者一个完全岩石的行星,如地球、水星或月球呢?

事实证明,褐矮星太大了,会导致比任何看到的东西都大得多的影响。然而,土星到木星大小(和质量)的物体可能会导致观察到的效果。较小的气态行星,如天王星,海王星,或者甚至比海王星略小的东西,可能会导致显着的亮度,但对于类太阳恒星来说,不会增加几百倍。(然而,对于演化的低质量恒星,他们可能会这样做,因为恒星与行星的质量比很重要。

但是岩石,类似地球或更小的世界不能做到这一点;它们只会在恒星的亮度上产生很小的扰动效应。我们的太阳永远不会有这样的爆发,但任何有“热木星”行星绕它运行的恒星都可能!

在吞噬一颗气态巨行星后,一颗次巨星可以膨胀到其正常大小的几倍,大幅变亮并加热周围的分子尘埃。最终,这颗恒星将收缩并昏厥,直到它恢复到最初的合并前状态。学分:K.Miller/R.Hurt(加州理工学院/IPAC)

随着时间和多个不同波长收集的所有数据,我们可以确信我们确实看到一颗行星被它的母星吞噬。此外,模拟在再现这次合并的细节方面的成功使我们制定了一种机制来解释这一切是如何发生的。

当行星靠近恒星本身但仍在恒星本身之外时,它会导致物质从恒星-行星系统向外放射状喷射。

当行星与恒星接触时,它会在几个轨道上迅速被摧毁,导致恒星变亮和膨胀。

排出的物质膨胀并冷却,形成分子,这些分子被新亮的恒星加热。

然后,随着时间的推移,恒星恢复到其预亮状态,质量仅增加了百分之几。

最后一个组成部分现在已经在观测上得到证实:这颗恒星确实已经恢复到合并事件前的初始亮度和颜色,现在将继续逐渐演变成红巨星。恒星确实会吞噬它们的行星,随着我们的观测能力不断提高,这可能只是一类全新天文现象中的第一个物体。现在我们已经看到并确定了一颗恒星正在积极吞噬其内部的一颗巨大行星,肯定会有更多的恒星跟随!

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