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《自然·天文学》报道:我院周济林课题组在白矮星吞噬行星物质的演化研究中取得重要进展

发布时间:2018-11-23 10:46来源:未知
《自然·天文学》报道:我院周济林课题组在白矮星吞噬行星物质的演化研究中取得重要进展
 
近日,南京大学天文与空间科学学院行星课题组通过统计分析斯皮策太空望远镜(Spitzer)和斯隆数字化巡天望远镜(SDSS)的观测数据,结合数值模拟和理论推导,提出了环白矮星尘埃盘和白矮星大气金属污染的演化模型,揭示了白矮星吞噬其周围残留行星物质的演化规律。相关研究论文(标题为A power-law decay evolution scenario for polluted single white dwarfs)于2018年11月6日在《自然·天文学》上发表(文章链接:https://www.nature.com/articles/s41550-018-0609-7)。南京大学博士研究生陈迪昌为文章的第一作者,南京大学的周济林教授和谢基伟副教授为文章的通讯作者。研究团队还包括南京大学的杨明助理研究员,张辉副教授,刘慧根副教授和行星课题组的梁恩思、余周毅以及杨佳祎博士研究生。
 
环白矮星尘埃盘和白矮星大气金属污染
    白矮星是初始质量小于约八倍太阳质量的恒星演化的最终产物,银河系中超过97%的恒星(包括太阳)会演化为白矮星。恒星演化为白矮星后,其周围的残存行星系统可以为研究行星系统的演化,性质和命运提供关键的线索。
 
    1987年,在白矮星G29-38周围发现了第一个环白矮星尘埃盘。之后几十年间,数百颗白矮星大气中发现金属元素(重于氢和氦的元素)污染,其中大约35颗周围存在尘埃盘。目前通过一些大样本巡天,发现25%-50%的白矮星大气有金属污染,而只有1%-4%的白矮星周围存在尘埃盘。白矮星的尘埃盘距离白矮星很近(只有太阳半径的几分之一),因此尘埃盘(成分为金属元素)会在白矮星的辐射作用下迅速瓦解(大约10万年到100万年),被吸积入主星大气,而进入大气的金属元素会在白矮星巨大的表面重力下迅速沉降(大约几天到数万年)到白矮星内部。目前还能在年龄数亿年到数十亿年的白矮星周围发现尘埃盘和大气金属污染,表明白矮星周围有物质不断的补充进来维持尘埃盘并持续对其大气造成金属污染。通过对白矮星的大气进行光谱化学元素分析,显示这些补充的物质成分类似于太阳系中的小行星。因此,关于环白矮星尘埃盘和白矮星大气金属污染这两个观测现象,目前主流的观点认为它们可能和白矮星吞噬其周围残存行星系统的物质相关联。然而,这两种现象的动力学机制和演化过程,以及两种现象之间的关系尚不清楚。
 
    研究团队利用斯皮策太空望远镜(Spitzer)和斯隆数字化巡天望远镜(SDSS)的观测数据,选取了其中所有有大气钙元素丰度和有效温度的白矮星单星系统(共846颗),计算出了金属质量吸积率和白矮星的年龄。通过分析这些数据,研究团队首次发现了白矮星吞噬周围物质质量的速率(质量吸积率)随时间呈现出了分段的幂律衰减(图1中的蓝色线)。而且前后两段幂律衰减与研究团队的理论模型预期都符合的很好。
图1:白矮星质量吸积率随年龄的演化。蓝色点为观测数据点,蓝色线为观测数据的最佳拟合,和模型的理论预期十分吻合:演化前期与理论上坡印亭-罗伯逊(PR)效应导致的吸积率(红色线,红色区域为一个σ误差范围),演化后期和典型初值下小行星入射率(棕色线)。
 
完整的演化图像
    基于观测数据统计,数值模拟和理论推导,研究团队得到了一个完整的演化图像(图2):
在演化早期,小行星入射率大于坡印亭-罗伯逊(PR)效应吸积率,从而进入洛希极限的物质只有一部分通过PR效应被吸积进入白矮星大气(金属污染),而剩余的物质(尘埃)会演化形成光学厚、较大而可被观测到的尘埃盘。当小行星入射率小于PR效应质量吸积率时,进入洛希瓣的全部物质都通过PR效应进入白矮星大气(金属污染),没有物质维系尘埃盘,尘埃盘消散而难以被观测到。因此尘埃盘的可观测时标,大约是7亿年。由于小行星入射率随时间越来越小,白矮星的金属污染越来越弱,当低于观测极限时,金属污染无法被探测到。由此我们得到金属污染的可观测时标,大约是80亿年。
 
    基于以上演化图像,尘埃盘存在白矮星金属污染(小行星吸积过程)的早期阶段,它们的可观测时标的相对比例(大约8%)对应于观测概率的相对比例(2%-16%),第一次定量的解释了两种现象观测的相对比例,给出了这两种现象的动力学机制和演化过程。该模型的成功也暗示了巨行星和小行星带在白矮星及其前身主序恒星周围存在的普遍性。
 
 
图2:白矮星尘埃盘和金属污染的演化。绿色区域代表尘埃盘可探测到的年龄范围,黄色区域代表金属污染可探测到的年龄范围。
 
该研究工作得到了国家自然科学基金、中科院LAMOS Fellowship专项基金的支持。



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