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第34章 PSR B1257+12

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PSR B1257+12 b(周期25.3天):质量1.05±0.05倍地球质量,轨道半长轴0.191±0.002 AU;

PSR B1257+12 c(周期98.2天):质量1.24±0.06倍地球质量,轨道半长轴0.363±0.004 AU;

PSR B1257+12 d(周期66.5天):质量0.52±0.03倍地球质量,轨道半长轴0.471±0.005 AU。

更关键的是,VLBI观测发现三颗行星的轨道共面性高达99.7%——这意味着它们几乎在同一平面上绕中子星运行,暗示形成于同一原行星盘的“同源吸积”。这种高共面性也排除了“行星是被超新星爆发抛射的碎片”这一假说,因为碎片盘的轨道会高度分散。

(二)内部结构的“热力学模拟”:潮汐加热与地质活动的证据

中子星的强潮汐力是塑造行星内部结构的核心力量。根据潮汐加热模型,行星受到的潮汐力会拉伸其内部物质,通过摩擦产生热量。对于PSR B1257+12 b(距离中子星最近的大质量行星),其潮汐加热功率可达2.4×1032 erg/s——约为地球潮汐加热的8×1011倍(地球的潮汐加热主要来自月球,功率约3×1013 erg/s)。

如此巨大的热量会导致行星内部发生什么?2022年,加州理工学院的天体物理学家利用有限元模拟得出结论:

行星b的地幔会被持续加热,形成全球范围的超级火山活动——类似木卫一的火山,但强度高1000倍;

核心温度高达5000 K(接近太阳表面温度),足以维持液态铁核的流动,从而产生全球磁场(强度约为地球的10倍);

内部的高压环境可能将水或其他挥发性物质压缩成超临界流体,形成深达数千公里的“内部海洋”。

更令人惊讶的是,尽管行星b表面受到中子星X射线的狂轰滥炸(通量约为地球接收太阳可见光的1/10),但其内部海洋的温度可能维持在0-100℃——这是液态水的宜居区间。这意味着,PSR B1257+12 b可能是一个“表面地狱、内部天堂”的星球。

(三)大气模型的“生死博弈”:X射线与磁场的对抗

中子星的辐射环境对行星大气是致命的。PSR B1257+12的X射线光度约为1×1031 erg/s,其行星接收到的X射线通量足以在短时间内电离大气顶层,形成等离子体逃逸流。但最新的磁层-大气耦合模型显示,若行星拥有足够强的磁场和厚重大气,仍可能保留部分气体。

以PSR B1257+12 d为例(质量0.5倍地球,距离中子星0.47 AU):

若行星有一个由液态铁核产生的磁场(强度约地球的5倍),其磁层可偏转中子星粒子风的70%;

若大气以二氧化碳为主(厚度是地球的10倍),则能吸收大部分X射线,减少对表面的剥离;

即便如此,大气顶层仍会被电离,形成一条“发光的等离子体尾”——类似彗星的尾巴,但由X射线驱动。

2023年,钱德拉X射线望远镜对PSR B1257+12的观测证实了这一模型:在行星d的轨道位置,检测到了氧离子的X射线吸收线——这是大气存在的间接证据。

二、宜居性的宇宙悖论:中子星旁的“生命可能”?

传统天文学将“宜居带”定义为恒星周围温度适宜液态水存在的区域。但对PSR B1257+12而言,这个定义显然不适用——中子星的能量输出以X射线和γ射线为主,可见光极少,且辐射通量随距离的衰减远快于主序星。然而,潮汐加热与内部磁场的存在,让“宜居”有了新的定义:内部环境的宜居性。

(一)“表面不可居,内部可居”的悖论

PSR B1257+12的三颗行星中,b和d的潮汐加热足以维持内部液态水,而c的潮汐加热较弱(约为地球的1×101?倍),但仍可能保留部分地下海洋。但它们的表面环境呢?

表面温度:由于中子星的可见光辐射极少,行星表面主要靠反射中子星的脉冲光加热。PSR B1257+12的脉冲光峰值在射电波段,可见光通量仅为太阳的1/1000,因此行星表面温度约为-200℃(类似冥王星);

辐射剂量:行星表面每秒钟接收的X射线剂量约为1000 rem(雷姆)——而人类致死剂量约为500 rem/小时。这样的辐射足以摧毁所有暴露的生命形式。

但这并不意味着生命无法存在。木卫二的表面温度约为-150℃,且有厚达100公里的冰壳,但其地下海洋可能存在简单生命。PSR B1257+12的行星若有类似的“冰壳-海洋”结构,内部海洋完全可能成为生命的避难所。

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