类似于活着的生物,恒星也有诞生、年老和死亡。我们的太阳正处于中年时期。它已经存在了46亿年,按照物理计算,它还会继续存在同样的时间,随后成为白矮星。现在的太阳具有30万个地球的质量,和100倍于地球的直径(直径是指通过某颗行星或恒星中心并向外延伸至表面的线段的长度)。太阳成为白矮星之后将仍有现在一半的质量,但它会变得很小,只有地球那么大(这就是为何这类恒星被称为“矮”星)。因为白矮星体积跟地球差不多大,质量却比地球大10万倍,它们非常致密且有强大的引力。如果你现在体重是100磅(约45公斤,译者注),在一颗典型的白矮星上,你的重量将会超过1000万磅。银河系中有很大一部分恒星将会以白矮星的形式度过晚年,范马南2就是一颗白矮星。
引力是自然界中的基本相互作用力之一。太阳系中的所有物体,太阳、行星、小行星都能感受到太阳系中其他物体的引力(拉扯)。如果白矮星由行星和类似我们太阳系小行星那样的小天体所围绕,那么行星的引力拉扯可能会改变小行星轨道,使得小行星非常靠近白矮星。在其强大引力的作用下,白矮星会将小行星撕扯成小块的岩石残骸。这些残骸先是进入环绕白矮星运行的轨道,形成类似土星环那样的环状结构(见图3)。一段时间之后,这些绕转的残骸将会坠入白矮星。
我们在自然界见到的每一件东西,都是由叫做化学元素的92种独特的原子“积木”搭建起来的。一种元素的证认和命名依据于其原子核心也就是原子核的大小。氢是最简单和最轻的元素,铀是自然界中发现的最重的元素。使用一种可以将白光分解为彩虹一样的若干颜色的、叫做光谱仪的仪器,天文学家可以确定坠入白矮星的岩石残骸所来自的小行星由哪些元素组成。因此,找到围绕白矮星运行的岩石天体的化学组成是可能的。行星科学家相信我们太阳系中的水星、金星、地球、火星等岩态行星形成于46亿年前,是由大量类似现在在火星和木星轨道间运行的小行星的小天体汇集而成的。我们现在通过坠入地球的陨石来得到这些小行星的直接样品,陨石是很早以前由遭到碰撞的小行星产生的小碎片。
因此,通过将来自太阳系的火星、地球、月球和小行星的元素组成,与在很多白矮星大气中看到的残骸的组成相比较,天文学家现在可以回答“围绕太阳外其他恒星运行的岩石世界是否有类似于我们地球的化学组成,或者有非常不同的化学组成?”这一问题了。如果化学组成非常类似或者非常不同,那么这会是一个支持或者反对其他岩态系外行星上存在生命的可能性的重要的证据。
地球上含量最丰富的四种元素是铁、镁、氧、硅。天文学家使用分光镜对白矮星大气进行了研究,发现这四种元素同样主导了岩态系外行星的化学组成。因此天文学家头一次可以确信地说,白矮星研究证明了大部分围绕恒星运行的岩石世界的化学组成类似于地球的整体化学组成。更详细的理解需要更进一步的研究,很可能需要使用位于行星际空间的望远镜。
在我们的行星上,组成的元素并不是均匀混合的。相反地,地球上大部分铁元素都深埋于地球的中心也就是地核中;位于地核上方的地幔则富含镁元素;最外层的地壳含有丰富的硅和铝。行星和较大的小行星在不同深度有不同化学组成的现象被称为“层化”。
通过光谱仪测量某些白矮星大气中残骸的化学组成,可以得出关于曾经环绕该恒星运行的岩石天体的结构细节。比如说,一颗名为NLTT 43806的白矮星大气中的物质含有格外多的铝和相对比较少的铁(NLTT 43806是名为NLTT的星表中的一颗恒星,NLTT星表是由天文学家威廉·鲁坦在二十世纪中叶编撰的)。我们可以将NLTT 43806大气中九种元素的含量与太阳系中包括陨石、地球上和月球表面的物质进行比较,通过这种方式,天文学家发现NLTT 43806中的化学组成类似于地壳和上层地幔的物质的混合。这一结果可以由一颗曾经或者正在绕NLTT 43806转动的层化的地外行星来解释,这颗行星具有地壳、地幔和地核。