北落师门b的陨落——一颗本不该存在的系外行星消失了

天文学家认为太阳系外的一颗行星现在似乎消失了。尽管这在科幻小说中经常发生，比如超人的故乡氪星爆炸，但天文学家们正在寻找一个合理的解释。

一种解释是，与其说是2004年首次拍摄的全尺寸行星物体，不如说是是由围绕着明亮的北落师门运行的两个大型天体碰撞产生的一个巨大的、不断膨胀的尘埃云。潜在的后续观察可能会证实这一非同寻常的结论。

“这些碰撞极其罕见，所以我们能看到这些碰撞的证据其实是一件大事” 图森市亚利桑那大学的安德拉斯·加斯帕尔说，“我们相信，我们在正确的时间、正确的地点，用美国宇航局的哈勃太空望远镜见证了这样一个不太可能发生的事件。”

这张图模拟了天文学家在研究哈勃太空望远镜观测数年之后，首次发现另一个恒星系统中巨大的行星碰撞后果的证据。左边这张由哈勃望远镜拍摄的彩色图像显示了一个巨大的冰状碎片环，它环绕着25光年之外的北落师门。这颗恒星是如此的耀眼，以至于一个黑色的遮光板被用来遮挡它的眩光，这样尘埃环就可以被拍摄下来。2008年，天文学家们看到了他们认为是第一幅行星在远离恒星的轨道上运行的直接图像。然而，到了2014年，这颗候选行星消失在哈勃望远镜的探测之下。最好的解释是，这个物体根本就不是一颗完全成形的行星，而是两个直径约125英里的小天体碰撞后形成的不断膨胀的尘埃云。右边的图表是基于对膨胀和衰退云的模拟。该云团由非常细小的尘埃颗粒组成，目前估计直径超过2亿英里。这样的大碰撞估计每20万年在北落师门附近发生一次。因此，哈勃望远镜在正确的时间、正确的地点捕捉到了这一短暂的事件。

“北落师门恒星系统是我们的终极测试实验室，我们可以在这个恒星系统验证我们所有关于系外行星和恒星系统如何演化的想法，”亚利桑那大学斯图尔德天文台的乔治·瑞克补充道。“我们确实有证据表明在其他的天体系统中也有这样的碰撞发生，但是在我们的太阳系中还没有观察到如此大规模的碰撞。这是一个行星如何互相毁灭的蓝图。”

这颗疑似系外行星名为“北落师门b”(Fomalhaut b)，以2004年和2006年的观察数据为基础，于2008年首次公布。在哈勃望远镜几年的观测中，它清晰可见，这表明它是一个移动的点。在此之前，系外行星的存在证据大多是通过间接的探测方法推断出来的，比如恒星之间细微的来回摆动，以及行星从其恒星前方经过时所产生的阴影。

然而，与其他直接成像的系外行星不同，“北落师门b”本身有着很多谜团。这颗“行星”在可见光下非常明亮，这对于系外行星来说是很不寻常的，因为系外行星太小了，无法反射足够多的主恒星光线，因此无法从地球上看到它们。同时，“北落师门b”也没有任何可探测的红外线迹象，这极其不寻常，作为一个星球，特别是像北落师门b这么年轻的行星，它应该足够温暖，在红外线下可以发光才是。天文学家此前推测，这些额外的亮度可能来自一个巨大的外壳或者与碰撞相关的尘埃环。

加斯帕尔说：“我们的研究在分析了哈勃关于北落师门的所有资料之后揭示了几个特征，这些特征共同表明，这个行星大小的天体可能从一开始就不存在。”

该团队强调，在他们对哈勃2014年拍摄的图像进行数据分析时，他们才相信了这个结论，他们难以置信地发现该天体已经消失。他们说，更神秘的是早期的图像也已经显示随着时间的推移，这个天体还会不断褪色。加斯帕尔说：“很明显，北落师门b的表现并不像一颗真正的行星。”

对于这种现象，研究人员解释说这是因为北落师门b这一团由撞击产生的消散尘云正在缓慢地扩散到太空当中。考虑到所有的数据，加斯帕尔和瑞克认为这次碰撞发生在2004年第一次观测不久之前。现在，这个云团由大约1微米大小的尘埃颗粒组成，大约是人类头发直径的1/50，这些碎片云已经低于哈勃的探测极限。据估计，现在这团碎片云的扩散范围比地球围绕太阳公转的轨道还要大。

同样让人困惑的是，在早期数据的轨迹图中加入后来的观察结果之后，研究小组报告说，该物体更有可能是在逃逸轨道上运行，而不是像人们预期的那样在椭圆轨道上运行。加斯帕尔说：“一个最近形成的巨大尘埃云在经历了来自中央恒星北落师门的巨大辐射力之后就可能会运行在这样的轨道上。我们的模型能够自然地解释天体系统的所有独立可观测参数：膨胀率、衰减和轨迹。”

因为北落师门b目前在环绕北落师门的一个巨大冰碎屑环内，所以碰撞的天体可能是冰和尘埃的混合物，就像太阳系外围柯伊伯带里的彗星一样。加斯帕尔和瑞克估计，这些类似彗星的碰撞天体直径约125英里，大约是小行星灶神星的一半大小。

作者说他们的模型解释了北落师门b的所有观测特征。研究人员在亚利桑那大学的计算机集群上对灰尘如何随着时间移动进行了复杂的建模，表明这样的模型能够定量拟合所有的观测结果。根据作者的计算，距离地球约25光年的北落师门星系可能每20万年才会发生一次这样的撞击事件。

NASA将会很快推出詹姆斯·韦伯太空望远镜，而在韦伯望远镜科学运行的第一年内，加斯帕尔和瑞克以及其他团队成员将会继续观测北落师门天体系统。该团队将对该天体系统内部的温暖区域进行直接成像，并将获得有关北落师门小行星带结构的详细信息，北落师门小行星带很难以捉摸，这还是人类首次在太阳系外的恒星系统中这样做。该团队还将会继续寻找围绕北落师门运行的其他真正行星。

这篇研究论文发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上，题为《新HST数据和模型揭示了围绕北落师门的一次大规模小行星体碰撞》(New HST data and modeling reveal a massive planetimal collision around Fomalhaut)。

哈勃太空望远镜是NASA与ESA（欧洲航天局）之间国际合作的项目。位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心负责管理该望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃望远镜的科学运作。STScI由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会为NASA运营。