出品：科普中國(guó)
作者：書波（科普創(chuàng)作者）
監(jiān)制：中國(guó)科普博覽
在古羅馬神話中，雙面之神雅努斯擁有前后兩張面孔，前望未來(lái)，后觀歷史。當(dāng)古人雕刻出凝視遠(yuǎn)方天空的雅努斯時(shí)，恐怕不會(huì)想到，兩千年后天文學(xué)家在宇宙中發(fā)現(xiàn)了一些奇特的雙面星球，它們像雅努斯一樣，從不同方向看去，顯現(xiàn)出的是兩張截然不同的臉。
梵蒂岡博物館收藏的雅努斯雕像
（圖片來(lái)源：維基百科）
半氫半氦白矮星
第一種雙面星球是特殊的白矮星。恒星最主要的成分是宇宙中最輕的元素：氫，它們?cè)诤司圩冎薪M合出更重的氦元素，并放出燃燒的能量。像太陽(yáng)這樣較小的恒星，核心區(qū)域的氫耗盡后，就會(huì)膨脹為燃燒氦元素的紅巨星，并產(chǎn)生碳和氧兩種更重的元素。紅巨星最終也熄滅后，便會(huì)留下一個(gè)主要由碳和氧組成的殘骸，這就是白矮星。
不過(guò)根據(jù)觀測(cè)，白矮星外層的大氣還是和普通恒星一樣，主要由氫或氦組成。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%的白矮星大氣是以氫為主，還有20%是以氦為主。看來(lái)白矮星的大氣就像人體有不同的“血型”一樣，成分也各不相同。
但是，人類并非只擁有A、B、AB、O四種血型，還有Rh陰性血等罕見的“熊貓血型”，對(duì)白矮星來(lái)說(shuō)也一樣。
在2023年，天文學(xué)家觀測(cè)到一顆有著稀罕大氣的白矮星，編號(hào)為ZTF J203349.8+322901.1，它位于距離我們有1000多光年的天鵝座方向，每15分鐘自轉(zhuǎn)一圈。
雙面白矮星，氫型大氣的一側(cè)光滑，而氦型大氣的一側(cè)塞滿米粒狀的氣泡。
（圖片來(lái)源：加州理工學(xué)院官網(wǎng)）
當(dāng)科學(xué)家檢測(cè)這顆白矮星的大氣成分時(shí)，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)它的大氣似乎分成了割裂的兩面，一面的大氣是以氫為主，表面很光滑，而另一面是以氦為主，上面塞滿了米粒形狀的氣泡。
這顆白矮星的古怪大氣從何而來(lái)？科學(xué)家們推測(cè)，白矮星的大氣并不平靜，處于不斷的變化之中，是某些因素的干擾使它變成了特殊的狀態(tài)。
一開始，白矮星的大氣都是以氫為主，這是因?yàn)闅浜秃煞N元素并不是隨便混合在一起，氦比氫重，所以會(huì)慢慢沉到下面形成氦層，而氫層依舊浮在大氣外層。我們觀察白矮星時(shí)，表面上看起來(lái)它的大氣就是以氫元素為主。
極低質(zhì)量白矮星示意圖
極低質(zhì)量白矮星是一種具有重要科學(xué)價(jià)值的氦白矮星，其質(zhì)量一般小于0.3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
（圖片來(lái)源：Caltech/IPAC）
后來(lái)，溫度對(duì)白矮星大氣組成成分的影響就顯現(xiàn)了出來(lái)。白矮星來(lái)自熄滅的恒星，不能再發(fā)光發(fā)熱，只剩下慢慢冷卻的余溫。當(dāng)溫度下降到30000°C左右時(shí)，氫層和下面的氦層就逐漸混合在一起，這時(shí)的白矮星大氣就從以氫為主變成以氦為主。
但上述變化，都是整體發(fā)生的。這顆白矮星一半是氫一半是氦，據(jù)推測(cè)很可能是磁場(chǎng)在搗鬼。
恒星都是一團(tuán)巨大的電漿火焰，內(nèi)部的電磁活動(dòng)非常劇烈，能夠產(chǎn)生威力巨大的磁場(chǎng)，會(huì)影響到恒星表面的溫度。
以我們熟悉的太陽(yáng)為例，它的表面就有許多區(qū)域的磁場(chǎng)異常強(qiáng)大。在那里，從太陽(yáng)內(nèi)部向表面翻涌的對(duì)流被磁場(chǎng)抑制，就形成了一些溫度偏低的地帶，在地球上看去是發(fā)黑的，這便是太陽(yáng)黑子。
磁場(chǎng)有兩極，所以太陽(yáng)黑子也往往是成對(duì)出現(xiàn)
（圖片來(lái)源：香港天文館）
即便恒星燃盡后變成白矮星、中子星，磁場(chǎng)也不會(huì)消失，而是繼續(xù)陪伴在周圍。
發(fā)現(xiàn)雙面白矮星的科學(xué)家便猜測(cè)，不對(duì)稱的磁場(chǎng)或許就是“罪魁禍?zhǔn)住?/strong>。
有一側(cè)的磁場(chǎng)更強(qiáng)，抑制了氦層向上翻上來(lái)的“節(jié)奏”，所以這里就呈現(xiàn)出氫型大氣，表面也顯得平靜而光滑；而在另一側(cè)的磁場(chǎng)較弱，氦層翻上來(lái)時(shí)就順利很多，這邊半個(gè)大氣層就率先變成了氦型，表面也布滿了氣泡。
半黑半白土衛(wèi)八
雙面白矮星離我們太過(guò)遙遠(yuǎn)，所以現(xiàn)在的解釋對(duì)不對(duì)，還需要未來(lái)觀測(cè)到更多類似的白矮星。
其實(shí)，雅努斯一樣的雙面怪天體并非都很遙遠(yuǎn)，在太陽(yáng)系離我們不遠(yuǎn)的地方，就有一顆一半黑一半白的天體。它就是土星的第三大衛(wèi)星——土衛(wèi)八。
土衛(wèi)八的兩面
（圖片來(lái)源：NASA）
土衛(wèi)八是一個(gè)直徑將近1500千米的球體，它標(biāo)志性的外觀特征是擁有顏色黑白分明的兩面，一面是黑色，另一面是白色，頗像電影《星球大戰(zhàn)》中的“死星”。
300多年前，天文學(xué)家卡西尼發(fā)現(xiàn)這顆衛(wèi)星時(shí)就覺察到了異樣，因?yàn)椴煌瑫r(shí)間觀測(cè)土衛(wèi)八時(shí)，亮度的變化能達(dá)到五六倍。他猜測(cè)這是因?yàn)橥列l(wèi)八一面很亮，而一面很暗。后人用更先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)后，證明了他的猜想是對(duì)的。
那么土衛(wèi)八的黑白兩種色調(diào)分別來(lái)自何方呢？
先說(shuō)白色。土衛(wèi)八這種離太陽(yáng)較遠(yuǎn)的衛(wèi)星都富含冰，白色便是冰的顏色。而黑色呢？則來(lái)自土衛(wèi)八表面的有機(jī)化合物，它們被直射的太陽(yáng)光烤糊后變成了黑色，形成深色區(qū)域。
土衛(wèi)八兩面的交界處
（圖片來(lái)源：NASA）
但為什么淺色區(qū)域、深色區(qū)域偏偏都集中在一起，各占據(jù)了半個(gè)星球呢？
現(xiàn)在科學(xué)界的主流解釋是：都怪土衛(wèi)八的自轉(zhuǎn)太慢了。
土衛(wèi)八自轉(zhuǎn)一圈需要79天，在此期間，向陽(yáng)面和背陰面的溫差越來(lái)越大，形成了“熱反饋”效應(yīng)。
生活常識(shí)告訴我們，黑色衣服比白色衣服更容易吸熱，土衛(wèi)八表面的物質(zhì)也不例外。
被深色物質(zhì)覆蓋的區(qū)域比被淺色物質(zhì)覆蓋的地方更容易吸熱，所以那里的冰升華變成氣體，從地面匯入大氣，然后漂到低溫的背陰一面，在地面凝結(jié)變回了冰，把那里染得更白。
太陽(yáng)系內(nèi)的各種天體
（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）
一開始，土衛(wèi)八表面的冰只轉(zhuǎn)移了很少一點(diǎn)，星球表面不同地方的顏色差異也很小。但經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年間日積月累的變化，深色的一面變得越來(lái)越黑，而另一面則被漂過(guò)去的冰“涂抹”得越來(lái)越白。土衛(wèi)八就這樣長(zhǎng)出了一張“陰陽(yáng)臉”。
實(shí)際上，在太陽(yáng)系當(dāng)中，被大氣中轉(zhuǎn)移的物質(zhì)染色的天體并不是只有土衛(wèi)八一個(gè)，比如冥王星的最大衛(wèi)星冥衛(wèi)一“卡戎”，就是一顆被冥王星跨星球染色的衛(wèi)星。
冥王星和“卡戎”顏色很不一樣，冥王星上覆蓋著一種叫作“托林”的紅色物質(zhì)，所以大部分表面是紅色的；而“卡戎”的大部分表面是白色的，但極地卻和冥王星一樣是紅色的。
2015年，“新視野”號(hào)探測(cè)器拍攝的冥王星和冥衛(wèi)一“卡戎”
（圖片來(lái)源：維基百科）
冥王星表面凍成冰的物質(zhì)在太陽(yáng)照射下變成氣體，所以它也有稀薄的大氣。而冥王星和“卡戎”的距離還不到2萬(wàn)千米，大約只有地月距離的20分之一，冥王星大氣的許多物質(zhì)就飄到了隔壁，其中當(dāng)然也有“托林”。這種紅色物質(zhì)在“卡戎”的極地凍結(jié)下來(lái)，把那里染紅。
結(jié)語(yǔ)
看來(lái)，無(wú)論是遠(yuǎn)在天邊的白矮星，還是近在咫尺的太陽(yáng)系，宇宙中總有千奇百怪的奇特天體等待我們?nèi)ソ议_它們背后的秘密。
掌握現(xiàn)代科學(xué)的人類則像雅努斯一樣，將探索的視角同時(shí)對(duì)準(zhǔn)過(guò)去和未來(lái)，一邊從歷史知識(shí)中學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，一邊在新的探索中觸摸前沿。想必未來(lái)我們還將取得更驚人的發(fā)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]孔嘯,羅阿理.巡天項(xiàng)目中的白矮星搜尋[J].天文學(xué)進(jìn)展,2019,37(03):287-303.
[2]Strange two-faced dying star 'Janus' baffles scientists in cosmic oddity, Space.com, By Monisha Ravisetti published July 20, 2023.
[3]Caiazzo, Ilaria, et al. "A rotating white dwarf shows different compositions on its opposite faces." Nature (2023): 1-6.
[4]Lapetus: Saturn's Yin-Yang Moon, Space.com, By Nola Taylor Tillman published June 28, 2016.
[5]Scientists Explain Pluto’s Red-Headed Moon, By Nola Taylor Tillman, SPACE.com on September 14, 2016.
掃碼下載APP
科普中國(guó)APP
科普中國(guó)
科普中國(guó)
京公網(wǎng)安備11010202008423號(hào)