遥远的双行星可以被用来揭示地球80亿年后的命运

天文学家发现了一颗遥远的白矮星，在它的轨道上有一颗类似地球的行星，其位置刚刚超过火星在太阳系中的位置。 如果地球能像这颗系外行星一样，在成为白矮星的过程中度过太阳的红巨星阶段，那么地球可能会在大约 80 亿年后进入这样一个环绕白矮星的轨道。 图片来源：亚当-马卡连柯

在4000光年之外的银河系中发现了一颗类地行星，这让我们得以一窥数十亿年后我们地球的命运。 到那时，太阳将变成一颗白矮星，而地球可能是一个冰冻的、贫瘠的世界，其轨道远远超出了目前的轨道。

这个遥远的行星系统是加州大学伯克利分校的天文学家利用夏威夷的凯克 10 米望远镜发现的，它与科学家们预测的未来太阳-地球系统有着惊人的相似之处。 它由一颗白矮星和一颗地球大小的行星组成，白矮星的质量大约是太阳的一半，而行星的轨道距离是地球-太阳距离的两倍。

这种情况可能确实是地球的命运。 随着太阳的老化，它将膨胀为红巨星，超出地球目前的轨道，吞没水星和金星。 随着质量的减少，它的引力会减弱，导致包括地球在内的其余行星漂移到更遥远的轨道上。 最终，这颗红巨星将脱落其外层，只留下一个致密的白矮星内核，其大小与一颗恒星质量的行星相当。 如果地球在这一过程中幸存下来，它可能会发现自己正绕着这颗恒星残骸运行，距离太阳大约是它目前距离的两倍。

这一发现将于本周发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）杂志上，它向科学家们讲述了像太阳这样的主序星从红巨星阶段向白矮星阶段的演化过程，以及这一过程对其周围行星的影响。 一些研究表明，对于太阳来说，这个过程可能会在大约 10 亿年后开始，最终蒸发掉地球的海洋，并使地球的轨道半径增加一倍--如果膨胀的恒星没有首先吞噬我们的星球的话。

最终，大约 80 亿年后，太阳的外层将散去，留下一个致密的发光球--白矮星，它的质量约为太阳的一半，但体积比地球小。

一段视频描述了当太阳膨胀成红巨星时地球的一种可能命运。 如果红巨星的质量减少得足够快，让地球迁移到一个更宽的轨道上，地球就能逃脱被红巨星不断膨胀的表面吞噬的命运，最终进入一个大约是其当前大小两倍的轨道。 然而，在这一过程中，它将被加热成一颗熔岩星球，早在红巨星变成白矮星之前就变得不适合居住了。 科学家们发现了一颗类地行星的例子，它躲过了毁灭，现在正围绕着白矮星运行，这表明这是可能的。 图片来源：W. M. 凯克天文台/Adam Makarenko

研究负责人张克明曾是加州大学伯克利分校的博士生，现为加州大学圣地亚哥分校埃里克-施密特和温迪-施密特人工智能科学博士后。"无论如何，行星地球只能再生存大约 10 亿年，到那时地球的海洋将被失控的温室效应蒸发掉--早于被红巨星吞没的风险"。

该行星系统提供了一个确实存活下来的行星的例子，尽管它远在昏暗的白矮星宜居带之外，不太可能孕育生命。 当它的宿主还是一颗类似太阳的恒星时，它可能在某个时刻具备宜居条件。

"生命能否在地球上存活下来，度过那段（红巨星）时期还不得而知。 "加州大学伯克利分校天文学副教授兼系主任杰西卡-卢（Jessica Lu）说："凯明发现的这个系统是一颗行星--很可能是与地球轨道相似的类地行星--在宿主恒星的红巨星阶段幸存下来的例子。"

微透镜事件发生前几年（a）、2020 年背景恒星放大到峰值后不久（b）和 2023 年背景恒星消失后（c）的图像，用垂直白线表示。 无法看到由一颗白矮星、一颗类地行星和一颗褐矮星组成的行星系统；（c）中的光点来自不再放大的背景源星。 资料来源：OGLE、CFHT、凯克天文台

这个遥远的行星系统位于银河系中心隆起带附近，2020 年引起了天文学家的注意，当时它从一颗更遥远的恒星前方穿过，将该恒星的光线放大了 1000 倍。 这个系统的引力就像一个透镜，聚焦并放大了来自背景恒星的光线。

发现这一"微透镜事件"的小组将其命名为 KMT-2020-BLG-0414，因为它是由位于南半球的韩国微透镜望远镜网络探测到的。 这颗背景恒星也在银河系中，但距离地球约 25000 光年，其放大倍率仍然只有针尖大小。 尽管如此，在大约两个月的时间里，它的强度变化让小组估计，该系统包括一颗质量约为太阳一半的恒星、一颗质量约为地球的行星和一颗质量约为木星17倍的超大行星--很可能是一颗褐矮星。 褐矮星是一种失败的恒星，其质量刚刚达到在核心点燃核聚变所需的质量。

分析还得出结论，这颗类地行星距离恒星在1到2个天文单位之间，也就是地球和太阳之间距离的两倍左右。 目前还不清楚这颗恒星的主星是哪种恒星，因为它的光线被放大的背景恒星和附近几颗恒星的强光所掩盖。

为了确定恒星的类型，张和他的同事们，包括加州大学伯克利分校的天文学家杰西卡-卢（Jessica Lu）和约书亚-布鲁姆（Joshua Bloom），在2023年利用夏威夷的凯克II 10米望远镜对透镜系统进行了更仔细的观察。 卢说，由于他们是在透镜事件发生三年后才观测到这个系统的，因此曾经被放大1000倍的背景恒星已经变得足够暗淡，如果透镜星是一颗像太阳一样的典型主序星，那么它应该是可见的。但是张在两张不同的凯克图像中什么也没有探测到。

张说："我们的结论是基于排除其他可能性的基础上得出的，因为一颗正常的恒星很容易被看到。由于透镜既暗又低质量，我们得出结论，它只能是一颗白矮星。"

卢说："这是一个什么也看不到比看到什么更有趣的案例，他正在寻找由银河系中自由漂浮的恒星质量黑洞引起的微透镜事件。"

这一发现是一个研究项目的一部分，该项目旨在更仔细地研究显示有行星存在的微透镜事件，以了解系外行星生活在哪类恒星周围。

张说："这其中有一定的运气成分，因为预计每10颗有行星的微透镜恒星中只有不到一颗是白矮星。"

新的观测结果还让张和同事们解决了有关褐矮星位置的一个模糊问题。"最初的分析表明，这颗褐矮星要么在一个非常宽的轨道上，就像海王星的轨道，要么就在水星的轨道内。 轨道非常小的巨行星在太阳系外其实很常见，"张说，他指的是一类被称为热木星的行星。"但既然我们现在知道它是围绕恒星残骸运行的，这就不太可能了，因为它会被吞噬掉。"

这种建模上的模糊性是由所谓的微透镜退化引起的，即两种不同的透镜配置会产生相同的透镜效应。 这种退化现象与张和布鲁姆在2022年使用人工智能方法分析微透镜模拟时发现的退化现象有关。 张还利用同样的人工智能技术排除了可能被遗漏的KMT-2020-BLG-0414的替代模型。

布卢姆说："微透镜已成为研究其他恒星系统的一种非常有趣的方法，这些恒星系统无法通过传统方法（即凌日法或径向速度法）进行观测和探测。现在有一整套世界正在通过微透镜通道向我们敞开大门，令人兴奋的是，我们正处在发现像这样奇特构造的悬崖边上。"

美国国家航空航天局（NASA）的南希-格蕾丝-罗曼望远镜（Nancy Grace Roman Telescope）计划于2027年发射，其目的之一是测量微透镜事件的光变曲线，以发现系外行星。

布鲁姆说："我们需要的是利用世界上最好的设备，即自适应光学设备和凯克天文台，进行仔细的跟踪，而不是一天或一个月之后，而是在未来的很多很多年之后，在透镜远离背景恒星之后，这样你才能开始分辨所看到的东西。"

即使地球在十亿年左右的太阳红巨星阶段被吞噬，人类也可能在外太阳系找到避难所。 木星的几颗卫星，如木卫二、木卫四和木卫三，以及土星周围的土卫二，似乎都有冰冻的水海洋，随着红巨星外层的膨胀，这些海洋很可能会解冻。

张说："随着太阳变成红巨星，宜居带将移动到木星和土星轨道周围，其中许多卫星将变成海洋行星。我认为，在这种情况下，人类可以迁移到那里。"

编译自/SciTechDaily