太空中的8000攝氏度，一顆比太陽還熱的星球！

出品：科普中國

作者：方和斐（英國愛丁堡皇家天文臺）

監(jiān)制：中國科普博覽

提起宇宙中熾熱的天體，我們都會想到太陽之外的恒星。但那些未能變成恒星的天體，就一定更平靜嗎？或許給出答案前我們還需思考。科學(xué)家們最近發(fā)現(xiàn)的天體WD 0032-317B，其表面升到了約8000攝氏度。也就是說，太陽的表面溫度在它面前也只不過是“小巫見大巫”。

如此高溫到底是怎樣形成的？我們一起往下揭開天體的奧秘。

恒星的死亡，白矮星的誕生

在宇宙中，核反應(yīng)主要是聚變：氫這樣的輕元素經(jīng)歷上億度的高溫，聚合成更重的元素并釋放能量。包括太陽在內(nèi)的所有恒星，都會這樣產(chǎn)生能量。聚變停止后，剩余物質(zhì)不具有放射性，相對而言要“干凈”得多。

太陽連同所有其他恒星都是由一種稱為核聚變的反應(yīng)提供動力。（圖片來源：NASA/SDO/AIA）

如果核聚變能夠在地球上復(fù)制，那么它可以提供幾乎無限的清潔、安全和廉價(jià)的能源，以滿足世界的能源需求。

對于恒星而言，這個過程稱為恒星的死亡階段。在恒星正常的生命時(shí)期，核聚變集中在核心區(qū)域。經(jīng)過幾十甚至上百億年漫長的燃燒之后，中心的氫元素已被消耗殆盡，逐步生成更重的元素：氦，甚至碳、氧……

隨著燃料消耗殆盡，恒星內(nèi)核不再產(chǎn)生向外的熱壓力，逐漸被自身的重量壓塌，向內(nèi)不斷收縮，直至縮小到了一定程度，殘骸內(nèi)部電子的斥力逐漸上漲，與殘骸自身質(zhì)量造成的引力恰好互相抵消。此時(shí)，龐大的恒星內(nèi)核已經(jīng)縮成了一個小球。死亡恒星的核反應(yīng)剩余物形成了一種新的天體：白矮星。

白矮星（圖片來源：Veer圖庫）

白矮星質(zhì)量不輕，尺寸卻很小。以WD 0032-317為例，它達(dá)到太陽質(zhì)量的四成，直徑卻不到太陽的3%，足足比太陽致密幾萬倍。這樣一來，能夠散熱的表面積就很小，恒星死亡后殘余的高溫能保持很長時(shí)間。

我們假設(shè)白矮星剛產(chǎn)生100萬年，這正是理論估計(jì)的WD 0032-317年齡。盡管這短暫的冷卻時(shí)間比起恒星幾十億年的壽命而言簡直微不足道，但它仍然殘留著37000攝氏度的高溫，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽表面5500攝氏度的溫度，相當(dāng)于藍(lán)巨星的水平。

實(shí)際觀測的WD0032-317輻射變化曲線。

在白矮星和褐矮星繞轉(zhuǎn)的過程中（上方示意圖），地球上觀察到的白矮星輻射流量發(fā)生周期性的變化（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

雖然白矮星不是通過放射性衰變過程產(chǎn)生能量，但純粹由于高溫引起的能量也十分驚人。熱能主要以紫外線和可見光的方式散發(fā)出去，如同透過地球臭氧空洞照射而來的致癌性紫外線，足以擊碎生物大分子。

而WD 0032-317身邊的星球，就承受了這熾烈的擁抱。

褐矮星：目前已知晝夜溫差最大的星球

WD 0032-317B，“WD”代表“white dwarf”，即白矮星。在數(shù)字編號后面加個“B”，代表這個系統(tǒng)中的第二顆天體——褐矮星WD 0032-317B。

褐矮星藝術(shù)概念圖（圖片來源：NASA）

要是拿太陽系里的天體類比，褐矮星有點(diǎn)像木星。它們也是氣體凝聚的，只不過它比木星要更重，質(zhì)量大體在13到80個木星之間。

WD 0032-317B則達(dá)到了79個木星那么重。要是再重點(diǎn)兒，自引力帶來的內(nèi)部壓力升溫就能在核區(qū)點(diǎn)燃核反應(yīng)，它就成為恒星了。

所以，WD 0032-317B雖然是氣態(tài)巨行星里面的“將軍”，實(shí)際上卻是恒星家族里的“矮子”。

不僅如此，它還是一顆被“潮汐鎖定”的星球。白矮星與它的引力作用導(dǎo)致它的軌道發(fā)生變化，自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期逐漸同步，正如同月球那般。

因此，WD 0032-317B只有一面永遠(yuǎn)朝著白矮星，這一面稱為“白晝側(cè)”。白矮星釋放的能量傾瀉在這一面上，永遠(yuǎn)亮如白晝。而在背面，褐矮星的星體遮擋了白矮星的光，永遠(yuǎn)沒有直射，因此稱為“黑夜側(cè)”。

天文學(xué)家對WD 0032-317B進(jìn)行了測量。經(jīng)過他們的分析，WD 0032-317B的白晝側(cè)足足達(dá)到了將近8000攝氏度。在它面前，太陽都顯得暗淡起來——太陽的表面溫度為5500攝氏度，還比它低2000多攝氏度呢！

WD 0032-317B晝夜側(cè)的溫度估計(jì)圖。

紫色與灰色曲線分別代表黑夜側(cè)和白晝側(cè)的能量分布，天藍(lán)色曲線代表白矮星能量分布，黑色曲線代表總體能量分布。（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

而在黑夜側(cè)，由于照不到白矮星，褐矮星的地表溫度驟然下降到2000攝氏度左右。這是目前已知晝夜溫差最大的星球，達(dá)到了6000攝氏度之多。

氣態(tài)的褐矮星圍繞著宇宙中一顆白矮星旋轉(zhuǎn)，表面席卷著比太陽表面溫度還高的熱浪。人類顯然無法在這樣的星球上生存，甚至都無法靠近。褐矮星的表面溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了鋼鐵的沸點(diǎn)，白晝一側(cè)連金剛石都會沸騰。

正因?yàn)檫@樣的強(qiáng)大能量，褐矮星很可能經(jīng)歷著劇烈的內(nèi)部湍動，甚至向太空中拋灑出自身的物質(zhì)。盡管WD 0032-317B還未被證實(shí)這點(diǎn)，但類似的天體KELT-9b卻已經(jīng)被觀察到這一現(xiàn)象。它在白晝側(cè)4300攝氏度的情況下，顯露出了彗星尾巴一樣的物質(zhì)外流。

白矮星釋放能量造成的行星物質(zhì)蒸發(fā)示意圖（圖片來源：EarthSky官網(wǎng)）

白矮星-褐矮星：天文研究的完美組合

當(dāng)然，對WD 0032-317B的這項(xiàng)觀測研究，并不只是在宇宙中獵奇而已，它還對行星演化研究有著重要的啟示。

褐矮星本身大小類似木星，而溫度又很高，因此能夠充當(dāng)那些離恒星很近的氣態(tài)巨行星——“熱木星”——的近似物。

熱木星是目前行星演化領(lǐng)域的熱門話題。通常來說，它們很難被探測到，因?yàn)樗鼈兝@著熾熱而明亮的大質(zhì)量恒星公轉(zhuǎn)，被恒星刺眼的光芒所掩蓋。

兩顆熱木星與木星和地球的尺寸對比示意圖（圖片來源：中國科學(xué)院）

此前，人們往往只能通過引力作用來間接探測熱木星，也就是檢測對應(yīng)的恒星在熱木星的引力作用下產(chǎn)生微弱的運(yùn)動異常。但是這些恒星自身往往也在快速旋轉(zhuǎn)，還會釋放出大量星風(fēng)物質(zhì)，這都給測量運(yùn)動是否異常帶來了困難。

將白矮星-褐矮星這種組合作為恒星-熱木星的替代品，有特別的優(yōu)勢。

首先，白矮星尺寸很小，這樣褐矮星就能離它足夠近，被照得足夠熱。

其次，白矮星能發(fā)光的表面積小，比熱木星的恒星暗弱很多，不會掩蓋身邊的褐矮星，這樣就更有希望對褐矮星直接成像，而無需通過間接手段探測。

此外，WD0032-317和WD0032-317B這個系統(tǒng)本身，還給恒星的末期演化提供了新的信息。按照觀測的情況來看，褐矮星的年齡應(yīng)該有幾十億年。但白矮星質(zhì)量很小，說明它的前身星應(yīng)該有更長的壽命。研究人員認(rèn)為，褐矮星此前可能參與了白矮星的演化，加速了它前身星的死亡。

結(jié)語

二十年前，WD 0032-317B也曾進(jìn)入過天文學(xué)家的視野，但卻被忽視了。**那時(shí)候它的黑夜側(cè)正朝向地球，在望遠(yuǎn)鏡里不夠顯眼。**或許是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的科學(xué)家們還未擁有足夠先進(jìn)的觀測儀器，亦或者是宇宙的探索本就并非易事。

二十年后，WD 0032-317B重新進(jìn)入人們的視野。相信在未來，科學(xué)家們借助高分辨率的望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)觀測，就可以構(gòu)建WD 0032-317B的三維大氣模型，揭曉其白晝與黑夜兩側(cè)如此大的溫差是如何分布的，從而幫助我們進(jìn)一步理解類似的氣態(tài)巨行星。

關(guān)于WD 0032-317B這顆熾熱的星球，更多的故事還在路上。關(guān)于宇宙中的繁星點(diǎn)點(diǎn)，更多的發(fā)現(xiàn)也在等著我們。

參考文獻(xiàn)：

[1] Na’ama Hallakoun, Dan Maoz, Alina G. Istrate, et al. An irradiated-Jupiter analogue hotter than the Sun.

[2] Elizabeth Gamillo. Astronomers find a brown dwarf that’s hotter than the Sun.

[3] Atmosphere Models of Brown Dwarfs Irradiated by White Dwarfs: Analogs for Hot and Ultrahot Jupiters. Joshua D. Lothringer and Sarah L. Casewell. 2020 ApJ 905 163. DOI: 10.3847/1538-4357/abc5bc