为什么宇宙中会暗藏“双面星球”？

出品：科普中国

作者：书波（科普创作者）

监制：中国科普博览

在古罗马神话中，双面之神雅努斯拥有前后两张面孔，前望未来，后观历史。当古人雕刻出凝视远方天空的雅努斯时，恐怕不会想到，两千年后天文学家在宇宙中发现了一些奇特的双面星球，它们像雅努斯一样，从不同方向看去，显现出的是两张截然不同的脸。

梵蒂冈博物馆收藏的雅努斯雕像

（图片来源：维基百科）

半氢半氦白矮星

第一种双面星球是特殊的白矮星。恒星最主要的成分是宇宙中最轻的元素：氢，它们在核聚变中组合出更重的氦元素，并放出燃烧的能量。像太阳这样较小的恒星，核心区域的氢耗尽后，就会膨胀为燃烧氦元素的红巨星，并产生碳和氧两种更重的元素。红巨星最终也熄灭后，便会留下一个主要由碳和氧组成的残骸，这就是白矮星。

不过根据观测，白矮星外层的大气还是和普通恒星一样，主要由氢或氦组成。据统计，80%的白矮星大气是以氢为主，还有20%是以氦为主。看来白矮星的大气就像人体有不同的“血型”一样，成分也各不相同。

但是，人类并非只拥有A、B、AB、O四种血型，还有Rh阴性血等罕见的“熊猫血型”，对白矮星来说也一样。

在2023年，天文学家观测到一颗有着稀罕大气的白矮星，编号为ZTF J203349.8+322901.1，它位于距离我们有1000多光年的天鹅座方向，每15分钟自转一圈。

双面白矮星，氢型大气的一侧光滑，而氦型大气的一侧塞满米粒状的气泡。

（图片来源：加州理工学院官网）

当科学家检测这颗白矮星的大气成分时，他们惊讶地发现它的大气似乎分成了割裂的两面，一面的大气是以氢为主，表面很光滑，而另一面是以氦为主，上面塞满了米粒形状的气泡。

这颗白矮星的古怪大气从何而来？科学家们推测，白矮星的大气并不平静，处于不断的变化之中，是某些因素的干扰使它变成了特殊的状态。

一开始，白矮星的大气都是以氢为主，这是因为氢和氦两种元素并不是随便混合在一起，氦比氢重，所以会慢慢沉到下面形成氦层，而氢层依旧浮在大气外层。我们观察白矮星时，表面上看起来它的大气就是以氢元素为主。

极低质量白矮星示意图

极低质量白矮星是一种具有重要科学价值的氦白矮星，其质量一般小于0.3个太阳质量。

（图片来源：Caltech/IPAC）

后来，温度对白矮星大气组成成分的影响就显现了出来。白矮星来自熄灭的恒星，不能再发光发热，只剩下慢慢冷却的余温。当温度下降到30000°C左右时，氢层和下面的氦层就逐渐混合在一起，这时的白矮星大气就从以氢为主变成以氦为主。

但上述变化，都是整体发生的。这颗白矮星一半是氢一半是氦，据推测很可能是磁场在捣鬼。

恒星都是一团巨大的电浆火焰，内部的电磁活动非常剧烈，能够产生威力巨大的磁场，会影响到恒星表面的温度。

以我们熟悉的太阳为例，它的表面就有许多区域的磁场异常强大。在那里，从太阳内部向表面翻涌的对流被磁场抑制，就形成了一些温度偏低的地带，在地球上看去是发黑的，这便是太阳黑子。

磁场有两极，所以太阳黑子也往往是成对出现

（图片来源：香港天文馆）

即便恒星燃尽后变成白矮星、中子星，磁场也不会消失，而是继续陪伴在周围。

发现双面白矮星的科学家便猜测，不对称的磁场或许就是“罪魁祸首”。

有一侧的磁场更强，抑制了氦层向上翻上来的“节奏”，所以这里就呈现出氢型大气，表面也显得平静而光滑；而在另一侧的磁场较弱，氦层翻上来时就顺利很多，这边半个大气层就率先变成了氦型，表面也布满了气泡。

半黑半白土卫八

双面白矮星离我们太过遥远，所以现在的解释对不对，还需要未来观测到更多类似的白矮星。

其实，雅努斯一样的双面怪天体并非都很遥远，在太阳系离我们不远的地方，就有一颗一半黑一半白的天体。它就是土星的第三大卫星——土卫八。

土卫八的两面

（图片来源：NASA）

土卫八是一个直径将近1500千米的球体，它标志性的外观特征是拥有颜色黑白分明的两面，一面是黑色，另一面是白色，颇像电影《星球大战》中的“死星”。

300多年前，天文学家卡西尼发现这颗卫星时就觉察到了异样，因为不同时间观测土卫八时，亮度的变化能达到五六倍。他猜测这是因为土卫八一面很亮，而一面很暗。后人用更先进的望远镜观测后，证明了他的猜想是对的。

那么土卫八的黑白两种色调分别来自何方呢？

先说白色。土卫八这种离太阳较远的卫星都富含冰，白色便是冰的颜色。而黑色呢？则来自土卫八表面的有机化合物，它们被直射的太阳光烤糊后变成了黑色，形成深色区域。

土卫八两面的交界处

（图片来源：NASA）

但为什么浅色区域、深色区域偏偏都集中在一起，各占据了半个星球呢？

现在科学界的主流解释是：都怪土卫八的自转太慢了。

土卫八自转一圈需要79天，在此期间，向阳面和背阴面的温差越来越大，形成了“热反馈”效应。

生活常识告诉我们，黑色衣服比白色衣服更容易吸热，土卫八表面的物质也不例外。

被深色物质覆盖的区域比被浅色物质覆盖的地方更容易吸热，所以那里的冰升华变成气体，从地面汇入大气，然后漂到低温的背阴一面，在地面凝结变回了冰，把那里染得更白。

太阳系内的各种天体

（图片来源：Veer图库）

一开始，土卫八表面的冰只转移了很少一点，星球表面不同地方的颜色差异也很小。但经过亿万年间日积月累的变化，深色的一面变得越来越黑，而另一面则被漂过去的冰“涂抹”得越来越白。土卫八就这样长出了一张“阴阳脸”。

实际上，在太阳系当中，被大气中转移的物质染色的天体并不是只有土卫八一个，比如冥王星的最大卫星冥卫一“卡戎”，就是一颗被冥王星跨星球染色的卫星。

冥王星和“卡戎”颜色很不一样，冥王星上覆盖着一种叫作“托林”的红色物质，所以大部分表面是红色的；而“卡戎”的大部分表面是白色的，但极地却和冥王星一样是红色的。

2015年，“新视野”号探测器拍摄的冥王星和冥卫一“卡戎”

（图片来源：维基百科）

冥王星表面冻成冰的物质在太阳照射下变成气体，所以它也有稀薄的大气。而冥王星和“卡戎”的距离还不到2万千米，大约只有地月距离的20分之一，冥王星大气的许多物质就飘到了隔壁，其中当然也有“托林”。这种红色物质在“卡戎”的极地冻结下来，把那里染红。

结语

看来，无论是远在天边的白矮星，还是近在咫尺的太阳系，宇宙中总有千奇百怪的奇特天体等待我们去揭开它们背后的秘密。

掌握现代科学的人类则像雅努斯一样，将探索的视角同时对准过去和未来，一边从历史知识中学习经验，一边在新的探索中触摸前沿。想必未来我们还将取得更惊人的发现。

参考文献：

[1]孔啸,罗阿理.巡天项目中的白矮星搜寻[J].天文学进展,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.