天空中最令人心酸的景象之一是白矮星。儘管它們的質量與我們的太陽相當，但它們卻是所有恆星中最暗淡的，而且還在變得越來越暗淡；它們不遵循將恆星質量與亮度聯絡起來的通常模式。天文學家認為白矮星一定不是真正的恆星，而更像是恆星的遺骸。每個白矮星都曾經非常像我們的太陽，並且發出同樣的光芒。但隨後它們開始耗盡燃料，進入風暴般的死亡陣痛，膨脹到先前大小的100倍，亮度增加10000倍，然後脫落外層，萎縮成地球大小的 glowing 煤渣。在永恆的剩餘時間裡，它將惰性地靜坐著，慢慢地褪色成黑色。
如果這個故事還不夠令人沮喪，情況會變得更糟。我們和我們的同事已經在我們的星系中發現了十幾顆以上被小行星、彗星甚至行星環繞的白矮星——整個世界的天體墓場。當這些恆星還活著時，它們每天都在這些世界的天空中升起。它們溫柔地溫暖著土壤，攪動著微風。生物可能已經吸收了它們的光芒。但是當恆星死亡時，它們汽化或吞噬並焚燬了它們的內行星，只留下了那些居住在寒冷邊遠地區的星體。隨著時間的推移，白矮星也撕碎併吞噬了許多幸存者。這些被摧毀的星系為我們自己的太陽系在五十億年後太陽死亡時的命運提供了一個嚴峻的景象。
天文學家一直懷疑行星可能圍繞著我們太陽以外的恆星執行。然而，我們想象我們會發現像我們自己的太陽系一樣的系統，以一顆像太陽一樣的恆星為中心。然而，當15年前發現的浪潮開始時，很明顯地看出，太陽系外的行星系統可能與我們的太陽系截然不同。第一個例子是類太陽恆星飛馬座51，發現它有一顆質量比木星還大，軌道比水星還小的行星。隨著儀器的靈敏度越來越高，他們發現了更加奇怪的例子。類太陽恆星HD 40307擁有三顆質量在地球質量的四倍到十倍之間的行星，所有行星的軌道都小於水星軌道的一半。類太陽恆星巨蟹座55 A擁有不少於五顆行星，質量範圍從地球質量的10倍到1000倍，軌道半徑範圍從水星的十分之一到大約木星的軌道半徑。科幻小說中想象的行星系統幾乎無法與之相比。
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白矮星系統表明，恆星甚至不需要是類太陽恆星。行星和行星的組成部分可以圍繞著本身不比行星大的天體執行。這些系統的多樣性與普通恆星周圍的系統相當。天文學家幾乎沒有預料到行星系統的普遍性、它們的堅韌性以及它們形成過程的明顯普遍性。像我們自己的太陽系這樣的系統可能不是宇宙中最常見的行星甚至生命所在地。
從灰燼中重生的鳳凰
今天有時會被遺忘，但首次確認發現的任何太陽系外行星都是圍繞著一顆非常不像太陽的恆星：中子星PSR 1257+12，這是一種比白矮星更極端的恆星遺骸型別。它將比太陽更大的質量壓縮到一個小行星的大小，大約20公里寬。創造這個怪物的事件，一顆質量是太陽20倍的恆星的超新星爆炸，比類太陽恆星的死亡更猛烈，很難想象行星能在其中倖存下來。此外，爆炸的恆星可能有一個大於1天文單位（天文單位，地球-太陽距離）的半徑，這比我們今天看到的行星的軌道還要大。由於這兩個原因，這些行星一定是從爆炸的灰燼中升起的。
儘管超新星通常將其大部分碎片噴射到星際空間，但少量碎片仍然受到引力束縛，並落回形成圍繞恆星殘骸的旋渦狀圓盤。圓盤是行星的誕生地。天文學家認為，我們的太陽系是在一團無定形的星際塵埃和氣體雲在自身重量下坍縮時形成的。角動量或自旋的守恆阻止了一些物質簡單地完全落向新生的太陽；相反，它沉澱成煎餅形狀。在這個圓盤內，塵埃和氣體凝結成行星[參見“行星的起源”，作者：道格拉斯·N·C·林；《大眾科學》，2008年5月]。在超新星爆發後的回落盤中，很可能也發生了同樣的過程。
天文學家透過探測PSR 1257+12發出的無線電脈衝的週期性偏差發現了圍繞它的系統；這種偏差的產生是因為軌道行星對恆星產生輕微的拉力，週期性地移動其位置，從而改變脈衝必須傳播的距離。儘管對其他恆星的脈衝進行了深入搜尋，但觀測者不知道有其他類似的系統。另一個脈衝星，PSR B1620-26，至少有一顆行星，但它繞恆星執行的距離太遠，天文學家認為它不是在回落盤中形成的，而是從另一顆恆星引力捕獲的。
然而，在2006年，美國宇航局的斯皮策太空望遠鏡發現了來自中子星4U 0142+61的意外紅外輻射。紅外光可能來自恆星的磁層或星周盤。這顆恆星大約在10萬年前的超新星爆發中形成，行星通常需要大約一百萬年左右才能聚集，因此如果輻射確實預示著圓盤的存在，那麼這個系統可能有一天會類似於圍繞PSR 1257+12旋轉的系統。
許多白矮星也有圓盤，儘管型別有些不同：這些圓盤表明了軌道天體的實際存在，而不僅僅是形成它們的潛力。與4U 0142+61一樣，線索是意外的紅外光發射。第一個暗示可以追溯到1987年，當時美國宇航局的地面天文臺之一，位於夏威夷莫納克亞山頂的紅外望遠鏡設施，發現了來自白矮星G29-38的過量紅外光。這種過量光譜是一個溫度為1200開爾文的天體的光譜，遠低於恆星表面12000開爾文的溫度。
最初，天文學家認為這顆白矮星一定是被一顆較冷的第二顆恆星環繞著。但在1990年，他們表明紅外發射與恆星自身的亮度同步變化，表明它是反射或再加工的星光。最合理的解釋是被恆星加熱的星周盤。
這顆恆星還有另一個奇特的特性。它的最外層含有鈣和鐵等重元素，這很奇怪，因為白矮星表面附近的引力場非常強，這些元素應該沉入內部。2003年，我們中的一位（尤拉）對紅外過量和重元素的存在提出了一個簡單的解釋：白矮星最近撕碎了一顆闖入其強引力場的小行星。一連串的碰撞將碎片減少到軌道塵埃盤，這些塵埃盤滴落到恆星上。
小行星作為甜點
此後的觀測證實了這一情景。天文學家使用地面望遠鏡和斯皮策望遠鏡已經確定了大約15顆具有類似紅外過量和元素異常的白矮星。對於G29-38和其他七顆恆星，斯皮策更進一步，識別出了來自圓盤中矽酸鹽的紅外發射。這些矽酸鹽類似於我們太陽系塵埃顆粒中的矽酸鹽，並且與星際空間塵埃中的矽酸鹽截然不同。此外，儘管恆星的外層含有重元素，但它們所含的這些元素量並不相等。與傾向於保持固態的元素（如矽、鐵和鎂）相比，它們缺乏揮發性元素，如碳和鈉。這種元素模式與太陽系的小行星和岩石行星的模式相匹配。這兩個事實都支援圓盤是磨碎的小行星的論點。
圍繞白矮星的圓盤比新生類太陽恆星周圍產生行星的圓盤小得多。從它們的紅外發射判斷，它們僅延伸到約0.01天文單位，質量低至直徑30公里的小行星的質量——這一事實與它們可能起源於這種天體的崩解相符。它們不是新行星形成的潛在場所，而是表明一些行星物質在恆星死亡中倖存下來的指標。理論計算表明，如果小行星和類地行星的軌道距離超過1天文單位，它們就可以逃脫毀滅。當我們的太陽死亡時，火星應該可以倖存下來，但地球可能可以也可能不行。
為了研究行星系統的一部分可能如何持久存在，兩年前，斯皮策觀測了白矮星WD 2226-210。這顆白矮星非常年輕，以至於原始類太陽恆星的外層仍然可見，即螺旋星雲，最著名的行星狀星雲之一[參見“普通恆星的非凡死亡”，作者：布魯斯·巴利克和亞當·弗蘭克；《大眾科學》，2004年7月]。
因此，WD 2226-210提供了類太陽恆星和較老的白矮星（如G29-38）之間的缺失環節。圍繞它的是一個距離100天文單位的塵埃盤，與我們太陽系的尺度相當。這比其他白矮星周圍的圓盤延伸得遠得多——事實上，太遠了，以至於無法由白矮星的引力撕裂的小行星組成。這個圓盤一定是由小行星和彗星碰撞時釋放出的塵埃組成的。類似的碎片盤存在於太陽和類太陽恆星周圍[參見“行星系統的隱藏成員”，作者：戴維·R·阿迪拉；《大眾科學》，2004年4月]。
這一發現證實，當類太陽恆星死亡時，遙遠的小行星和彗星可以倖存下來。如果小行星和彗星能夠倖存下來，那麼行星（如果有什麼東西更耐用的話）也應該能夠倖存下來。隨著WD 2262-210冷卻，它發出的光會減少，照亮塵埃，遙遠的小行星帶和彗星帶將逐漸消失。但偶爾，它的一個成員可能會遊蕩到足夠靠近白矮星的地方而被撕碎。
小恆星
第三種可能孕育行星的非類太陽恆星是褐矮星。褐矮星與白矮星非常不同，儘管名稱相似。它們不是恆星遺骸，而是恆星侏儒。它們的形成方式與恆星相同，但它們的生長受到阻礙，使得它們的質量不足太陽質量的約8%——這是恆星核心變得足夠熱和稠密以點燃持續核聚變所需的閾值。它們最多隻能發出微弱的紅外線光芒，因為它們輻射出在形成過程中積累的熱量（以及可能短暫的早期聚變時期）。在過去的15年中，天文調查發現了數百顆褐矮星，其中質量最小的褐矮星幾乎不比巨行星重多少。
天文學家發現，這些天體，即使是其中最小的天體，也可能擁有圓盤，因此也可能擁有行星[參見“褐矮星起源之謎”，作者：蘇班喬伊·莫漢蒂和雷·賈亞瓦德哈納；《大眾科學》，2006年1月]。行星的可能性得到了觀測結果的支援，這些觀測結果表明，褐矮星圓盤經歷了一系列系統性的變化——包括來自矽酸鹽的紅外發射的突出程度下降——這歸因於塵埃顆粒的凝結。相同的變化也發生在較大恆星周圍的圓盤中，並預示著行星組成部分的生長。褐矮星圓盤太稀薄，無法形成像木星一樣大的行星，但含有足夠多的物質來形成天王星或海王星。一些天文學家聲稱發現了圍繞褐矮星形成的行星，但這些說法都不是確鑿的。
簡而言之，天文學家至少在一顆中子星周圍發現了行星；在十幾顆以上的白矮星周圍發現了小行星和彗星；並在褐矮星周圍發現了行星形成的早期階段的證據。最終，對這些和其他太陽系外系統的研究有兩個目標：首先，天文學家希望更多地瞭解我們自己的太陽系，特別是關於它的演化和大規模結構，這些特徵很難從我們有限的時間和空間角度來辨別。我們也希望將我們的太陽系置於其背景之中。它是普通的還是一個離群值？儘管行星系統多種多樣，但它們在形成過程中是否遵循一些共同的途徑？我們太陽系中小行星的成分與落到白矮星上的物質的成分之間的相似性表明答案是肯定的。
第二個目標是確定生命在宇宙中可能有多麼普遍。在我們的銀河系鄰域中，褐矮星的數量與恆星大致相同。離我們太陽最近的“恆星”可能是尚未被發現的褐矮星嗎？離我們太陽系最近的行星可能是圍繞褐矮星執行的嗎？美國宇航局計劃在今年年底發射的廣域紅外巡天探測衛星（WISE）很可能會發現幾顆比最近的已知恆星更近的褐矮星。在褐矮星周圍形成類地行星不僅會擴大潛在的棲息地範圍，還會導致一個有趣的可能，即最近的地外生命可能會在早晨在一個褐矮星中醒來。
同樣，白矮星周圍的小行星和彗星的存在不僅提出了行星可以在類太陽恆星死亡後倖存下來的可能性，而且還提出了生命，如果它能夠適應不斷變化的環境，可能會在這些死亡恆星的環境中堅持下去的可能性。也許，那麼，白矮星並非如此令人沮喪的景象。
在黑暗中發光
天文學家通常透過行星對其宿主恆星的速度、位置或亮度的影響來間接探測行星。對於本文討論的大多數情況，天文學家關注一種型別的間接跡象：圍繞恆星執行的塵埃盤的存在。所謂的原行星盤出現在新生的恆星周圍，被認為是行星形成的場所。所謂的碎片盤出現在成熟的恆星周圍，被認為是由於彗星和小行星的碰撞或蒸發而產生的，因此預示著現在或過去可能存在行星。
觀測者透過圓盤如何吸收星光並在紅外波長下重新輻射吸收的能量來識別這兩種型別的圓盤。美國宇航局於2003年發射的斯皮策太空望遠鏡已被證明是一臺名副其實的圓盤發現機器。其大視場紅外相機可以在單張影像中捕獲數百顆恆星，並精確定位那些有圓盤證據的恆星以供進一步研究。
斯皮策建立在過去紅外望遠鏡的成功之上，例如1980年代的紅外天文衛星（IRAS）任務和1990年代中期的歐洲空間局紅外空間天文臺（ISO）。與IRAS的全天巡天不同，斯皮策指向特定的天體進行深入研究，其液氦冷卻劑五年以上的壽命遠遠超過了以往任何任務。該望遠鏡研究了從太陽系外行星到早期宇宙星系的一切事物。
冷卻劑現在正在耗盡，望遠鏡很快將開始從接近絕對零度升溫到30開爾文。即便如此，它仍將能夠至少在2011年中期之前在紅外波段的短波長端執行。接替其工作的是新發射的赫歇爾太空天文臺和計劃於2013年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）。
注：本文最初印刷時的標題為“不可能的行星”。