白矮星SDSS J1288+1040周围残留盘中发现星子存在证据

来源：ScienceAAAS

中科院青促会 王素

（中科院紫金山天文台）

评述论文：A planetesimal orbiting within the debris disc around a white dwarf star （Science 5 April 2019: Vol 364, Issue 6435）

目前，科学家们已经发现了超过3000颗恒星周围有行星存在，其中大部分恒星将最终演化为白矮星。理论研究模型表明行星系统在其宿主恒星的整个演化过程中将大部分保持完好。行星系统的遗迹可以从间接观测白矮星系统中证实，包括：行星物质的吸积对白矮星大气产生的影响；星子被潮汐瓦解后形成的致密尘埃盘；与尘埃盘同一位置存在的气体盘中的原子发射谱线等。白矮星附近存在行星系统残余物质的最直接证据是WD 1145+017的光变曲线中发现的由固态星子释放出的尘埃云造成的掩食特征。然而由于白矮星非常暗淡且受到轨道倾角和星子瓦解事件发生的持续时间的限制，类似的掩食特征尚未在其他白矮星中发现。在白矮星周围残余盘中发现的气体成分特性也可以揭示在盘中正在发生的物理过程，例如Ca II 850-860-nm三重线光谱的周期性变化就表明了在一个扁平的盘中存在开普勒运动。在对白矮星SDSS J1288+1040周围气体残余盘的多次观测中发现了几十年量级的长周期变化，这表明了该系统中存在正在进行的动力学活动。

Manser所在的研究团队利用位于西班牙拉帕尔马的10.4米GTC望远镜在2017年至2018年开展了对SDSS J1288+1040系统中Ca II光谱三重线结构的观测。通过五个晚上的观测数据得到了周期为123.4 ± 0.3分钟（半长径a= 0.73 ± 0.02 太阳半径）的Ca II三重线光谱结果。图1显示了SDSS J1288+1040的发射线光谱图，五个晚上的观测共获得了519条光谱。其中A和D表示的是归一化的Ca II三重线光谱，B和E则表示的是相位折叠后的光谱，图中的颜色表示的是归一化的辐射流量，C和F表示的是扣除了平均后的光谱图，其中虚线是倾角为73度、半长径为0.73太阳半径的圆轨道上的点源视向速度变化的S型线迹。

图1. SDSS J1228+1040的发射线光谱图

在SDSS J1228+1040中观测到的这种短周期辐射光谱可以有多种机制可以解释，其中最可能的机制是在白矮星周围的盘中存在一颗星子，由星子与尘埃相互作用产生了可观测到的气体，图2给出了该机制的示意图。图A是由上而下的视角，盘和星子的的轨道都是顺时针方向如曲线箭头所示，短箭头则标注了与图1对应的相位角。图B的视角是从地球方向观测到的该系统的示意图，盘和视线方向存在73度的倾角。

在SDSS J1228+1040周围存在短周期星子需要它有足够大的密度和内力才能维持其不被潮汐瓦解。假设内力足够大，那么星子需要的最小密度为7.7 gcm-3，这与铁的密度非常接近。基于上述假设，星子的大小估计在4 km到6 km之间。这样的星子很有可能是来自一颗已经分异的大天体的内部铁核，而大天体的外部壳层则在比目前位置更远处的地方由于潮汐作用被剥离，被剥离后的壳层结构内的物质则形成了围绕在SDSS J1288+1040周围的尘埃盘结构。这是第一次在白矮星周围发现完整的星子，利用这种方法可以证实其它白矮星系统中存在的星子信息。结合不同恒星演化阶段的行星形成情况，可以完善现有的行星形成理论，为探索太阳系的前世今生以及未来宿命提供理论依据。

图2. 白矮星SDSS J1228+1040周围的盘和星子示意图

博士，中科院紫金山天文台副研究员。主要从事行星形成与动力学演化研究。

参考文献：

1. B. T. Gansicke, T. R. Marsh, J. Southworth, A. Rebassa-Mansergas, Gasous Metal Disk Around a White Dwarf, Science, 314, 1908-1910 (2006)

2. A. Vanderburg et al., A Disintegrating Minor Planet Transiting a White Dwarf, Nature, 526, 546-549 (2015)

3. C. J. Manser et al., Doppler Imaging of the Planetary Debris Disc at the White Dwarf SDSS J128859.93+104032.9, MNRAS, 455, 4467-4478 (2016)