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一颗拥有两道气体环的白矮星

许多行星系统比它们的恒星活得更久。当恒星变成白矮星——它留下的致密残骸——时,周围可能形成尘埃盘,落到它上面的行星碎片会在它的大气中留下化学痕迹。其中少数尘埃盘还含有气体。这些气体在精确的波长上发光,最常见的是钙的一组三条红外谱线。在迄今已知的全部21个气体盘中,每条谱线都具有相同的形状:两个峰。

为什么旋转的环会画出两个峰

从斜向看去,一个气体盘的一侧朝我们运动,另一侧远离我们。多普勒效应使来自接近一侧的光的波长略微变短,来自退行一侧的光的波长变长。每条谱线于是分裂成两个峰;气体绕转得越快,两个峰相距越远——而越靠近恒星,气体绕转得越快,这正是开普勒定律的要求。

第二十二个气体盘

的里雅斯特大学和意大利国家天体物理研究所(INAF)的里雅斯特天文台的Nicola Pietro Gentile Fusillo,与来自华威、瓦尔帕莱索、伦敦和基尔的同事一起,注意到白矮星WD J1328−1450发出的红外光比一颗裸露的恒星应有的更多:这是温暖尘埃存在的迹象。他们用欧洲南方天文台甚大望远镜上的X-shooter光谱仪对它进行了观测,分别在2021年和2023年。

这颗星的质量是太阳的0.47倍,却被压缩在一个半径只有太阳1.5%的球体中。它大气中的钙、镁和硅表明,它正在吞噬行星物质。但它的钙谱线和氧谱线有四个峰,而不是两个。

两条上下叠放的光谱:在上方那条中,三条发射线中的每一条都分裂成四个尖峰;在下方那条中,每条谱线有两个峰。

WD J1328−1450的三条钙谱线(a),每条都有四个峰;对照的是原型气体盘SDSS J1228+1040通常的双峰谱线(b)。——图1,Gentile Fusillo等(2026),arXiv:2610.37773。

两道环和一道空隙

团队用两道一里一外的扁平气体环重现了这些谱线。以太阳半径为单位,内环从0.14延伸到0.34,外环从0.54延伸到1.93,两者之间是一道空隙。即使是内边缘,与恒星的距离也约为恒星自身半径的九倍。

内环两个峰之间的速度差约为每秒1024公里,外环约为每秒420公里:内环的气体绕转得更快。在大约两年的时间里,谱线形状几乎没有变化:这两道环是稳定的。

一个大红色盘的俯视图,一道白色空隙把一个小的内环与一个宽阔的外环隔开,中央标出白矮星,边缘以太阳半径为单位标注。

从上方俯视、按比例绘制的发光钙气体:内环A、外环B以及空隙。左上角的标尺为一个太阳半径;红色越深,表示气体越亮。——图3,Gentile Fusillo等(2026),arXiv:2610.37773。

镁只在内侧

有一条镁谱线只有两个峰:它只来自内环。如果外环中镁相对于钙的含量与内环一样多,它的峰应当会高出噪声水平六倍以上。但它们并没有出现。镁与钙的比值是一种物质的“指纹”:在球粒陨石(一类石质陨石)中约为5到15,在地球地幔中约为8,在地壳中约为1.6。这两道环很可能来自不同的母天体——或者来自同一个天体的不同层,该天体已分异成富镁的幔和贫镁的壳。

每道环都必须有东西供给

这类盘中的气体会扩散,但当它向外漂移、冷却到约1200–1500开尔文以下时,就会重新凝结成颗粒:因此每道环都停留在其气体产生的地方附近。那么,是什么在两个分开的地方产生气体?在盘内边缘蒸发的尘埃无法留下空隙;而碰撞把尘埃磨碎的过程,则需要一种只在空隙内部起作用的未知“刹车”。

会不会是两颗靠得太近、无法分辨的白矮星?盖亚(Gaia)只看到一颗星,而且只有0.067%的白矮星拥有气体盘:两颗同时拥有的可能性微乎其微。会不会是一颗行星清空了空隙?作者计算表明,即使是能在空隙附近存活的最大的铁质天体,直径440公里,其引力也远不足以束缚炽热的气体——而且这也无法解释两侧的两道环中气体是如何产生的。

作者转而借鉴SDSS J1228+1040:在那里,一个大约每两小时重复一次的信号,只能用盘内一个致密的固态天体来解释,该天体在与尘埃相互作用时产生气体。他们的提议是:每道环中各有一个这样的星子——一种构成行星的小型固态天体。

幸存者能有多大?

在离恒星如此近的地方,引力对天体近侧的拉力比对远侧更强,可能把它撕碎。一个没有内部强度的天体需要比任何已知物质都高的密度:在内环的内边缘处至少为每立方厘米3600克。因此这两个幸存者必须具有内部强度。按照铁的密度和太阳系岩质天体的强度计算,内环中的那个,在其所在环的内边缘处直径最多为45公里,在外边缘处最多为172公里——相当于一颗普通的小行星。外环中的那个,在其所在环的内边缘处可达346公里,在外边缘处可达2340公里,而在外边缘处一个岩质天体可达约3500公里:从谷神星的大小到冥王星的大小,甚至月球的大小。

一片阴影也可能伪装成空隙

还有一种可能性尚未排除:一个单独的盘,其鼓起的内缘遮挡了0.34到0.54太阳半径之间的区域。这也能解释为什么内环向外变暗,而外环向外变亮。但没有其他白矮星,也没有任何带气体盘的年轻恒星呈现四个峰——即使是WD J0846+5703也没有,而它的尘埃盘相对于恒星的亮度是这里的两倍多。作者没有找到这种阴影的直接证据,也找不到理由说明它为何只出现在这里。

几种不同的盘形状都能同样好地拟合尘埃数据。而这颗星平平无奇的吸积速率,也为另一种可能留下了空间:这是一个年轻的盘,或许只被供给了30万到60万年,正处于混乱的早期阶段。

行星生命两端的环

被空隙隔开的环,在原行星盘中是常见的景象——行星就在这类围绕年轻恒星的盘中诞生。两者的尺度和中心恒星几乎不能更不同了。然而作者写道,WD J1328−1450表明,相似的过程可能在行星系统诞生之初和终结之时都塑造着它们。