围绕一颗死亡太阳运行的类地行星的存在为地球的最终生存带来了希望

在银河系中发现一颗距离地球4,000光年的类地行星，预示了数十亿年后我们的星球可能的命运，那时太阳将变成一颗白矮星，而饱受摧残和冰冻的地球将迁移到火星轨道之外。

这个遥远的行星系统是由加州大学伯克利分校的天文学家利用位于夏威夷的凯克10米望远镜观测后发现的，它看起来与预期的日地系统非常相似：它由一颗质量约为太阳一半的白矮星和一颗地球大小的伴星组成，其轨道是目前地球轨道的两倍。

这很可能就是地球的命运。太阳最终会像一个比现在地球轨道还大的气球一样膨胀起来，吞噬水星和金星。随着恒星膨胀成为一颗红巨星，其质量的下降将迫使行星迁移到更远的轨道，为地球在远离太阳的地方生存提供了一线希望。最终，红巨星的外层将被吹走，留下一颗致密的白矮星，它不比行星大，但质量与恒星相当。如果地球到那时还活着，它最终的轨道很可能是现在的两倍。

这项发现将发表在《自然天文学》杂志上，它向科学家介绍了主序列恒星(如太阳)从红巨星阶段到白矮星的演变过程，以及它如何影响周围的行星。一些研究表明，对于太阳来说，这个过程可能在大约10亿年后开始，最终蒸发地球的海洋并使地球的轨道半径增加一倍——前提是这颗不断膨胀的恒星不会首先吞噬我们的星球。

一段视频描述了太阳膨胀为红巨星后地球可能面临的一种命运。如果红巨星的质量迅速减小，地球可以迁移到更宽的轨道上，地球将逃脱被红巨星膨胀表面吞噬的命运，最终进入一个大约是其当前大小两倍的轨道。然而，在此过程中，它将被加热成熔岩行星，在红巨星变成白矮星之前很久就变得不适合居住。科学家发现了一颗逃脱毁灭的类地行星，现在绕着白矮星运行，这表明这是可能的。图片来源：WMKeck天文台/AdamMakarenko

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

“我们目前还没有就地球是否能避免在60亿年后被红巨星太阳吞没达成共识，”这项研究的负责人张克明说，他曾是加州大学伯克利分校的博士生，现在是加州大学圣地亚哥分校的Eric和WendySchmidt人工智能科学博士后研究员。

“无论如何，地球只能再适宜居住大约十亿年，届时地球的海洋将因失控的温室效应而被蒸发——远早于被红巨星吞噬的危险。”

这个行星系统提供了一个幸存的行星的例子，尽管它远远超出了暗淡白矮星的宜居带，不太可能有生命存在。当它的宿主还是一颗类似太阳的恒星时，它可能曾经具备宜居条件。

“生命能否在红巨星时期存活于地球上尚不得而知。但毫无疑问，最重要的是，地球在变成红巨星时不会被太阳吞噬，”加州大学伯克利分校天文学系副教授兼系主任杰西卡·卢(JessicaLu)说道。“凯明发现的这个系统就是一个行星的例子——可能是一颗最初与地球运行轨道相似的类地行星——在其主恒星的红巨星阶段幸存下来。”

微透镜使星星明亮一千倍

这个遥远的行星系统位于我们银河系中心的凸起附近，2020年它引起了天文学家的注意，当时它经过一颗更遥远的恒星前方，将该恒星的光线放大了1,000倍。该系统的引力就像一个透镜，聚焦并放大了背景恒星的光线。

发现这一“微透镜事件”的团队将其命名为KMT-2020-BLG-0414，因为它是由南半球的韩国微透镜望远镜网络探测到的。背景恒星的放大倍数——也在银河系中，但距离地球约25,000光年——仍然只是一个针尖大小的光点。

尽管如此，该恒星在大约两个月内强度的变化使团队能够估计该系统包含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倍的非常大的行星——很可能是一颗棕矮星。棕矮星是失败的恒星，其质量略低于点燃核心聚变所需的质量。

分析还得出了类似地球的行星与恒星之间的距离为1到2个天文单位——即地球与太阳之间距离的两倍左右。目前尚不清楚主恒星是什么类型，因为它的光芒被放大的背景恒星和几颗附近恒星的眩光所掩盖。

为了确定恒星的类型，张和他的同事，包括加州大学伯克利分校的天文学家杰西卡·卢和约书亚·布鲁姆，于2023年使用夏威夷的凯克二号10米望远镜更仔细地观察了透镜系统，该望远镜配备了自适应光学系统，可以消除大气中的模糊。卢说，因为他们是在透镜事件发生三年后观察该系统的，曾经被放大1,000倍的背景恒星已经变得非常暗淡，如果透镜恒星是一颗像太阳一样的典型主序恒星，它应该是可见的。

但张在两张不同的凯克图像中什么也没发现。

“我们的结论是基于排除其他可能性，因为正常恒星很容易被看到，”张说。“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。”

“这是一个什么都看不见比看见东西更有趣的例子，”卢说，他正在寻找银河系中自由漂浮的恒星质量黑洞引起的微透镜事件。

通过微透镜寻找系外行星

这一发现是张教授项目的一部分，该项目旨在更仔细地研究表明行星存在的微透镜事件，以了解系外行星所围绕的恒星类型。

张说：“这其中也有一定的运气成分，因为一般认为，在具有行星的微透镜恒星中，只有不到十分之一的恒星是白矮星。”

新的观测结果还使张和同事解决了有关棕矮星位置的模糊问题。

“最初的分析显示，棕矮星要么像海王星一样绕着非常宽的轨道运行，要么就在水星轨道内。在太阳系外，绕着非常小的轨道运行的巨行星其实相当常见，”张说，他指的是一种被称为热木星的行星。“但由于我们现在知道它绕着恒星残骸运行，所以这种情况不太可能发生，因为它会被吞没。”

建模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可以产生相同的透镜效应。这种退化与张和布鲁姆在2022年使用人工智能方法分析微透镜模拟时发现的退化有关。张还应用了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。

“微引力透镜已经成为一种非常有趣的研究其他恒星系统的方法，这些恒星系统无法通过传统方法(例如凌日法或径向速度法)进行观察和探测，”布鲁姆说。“现在，通过微引力透镜通道，我们可以探索到很多世界，令人兴奋的是，我们即将发现类似这样的奇异结构。”

美国宇航局的南希·格雷斯·罗曼望远镜计划于2027年发射，其目的之一是测量微透镜事件的光变曲线以寻找系外行星，其中许多行星需要使用其他望远镜进行跟踪，以确定行星所属恒星的类型。

“我们需要利用世界上最先进的设施，即自适应光学和凯克天文台进行仔细的跟踪，不只是一天或一个月后，而是很多年以后，在镜头离开背景恒星之后，这样你就可以开始辨别你所看到的东西，”布鲁姆说。

张指出，即使地球在十亿年后的太阳红巨星阶段被吞没，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，这些海洋很可能会融化。

“随着太阳变成红巨星，宜居带将移至木星和土星轨道附近，许多卫星将成为海洋行星，”张说。“我认为，在这种情况下，人类可以移居到那里。”