是棉花糖行星,還是系外類木行星,一起探索吧

2021-01-17 天文在線

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簡介：棉花糖行星是指質量與其極大半徑不匹配的密度極低的系外行星，那棉花糖行星是否也是帶環的普通行星呢？經過假設推演，星環只能用於解釋部分膨脹行星，目前暫無觀測設備能探測到系外行星星環，也暫無明確方法判斷它們是否有環。

我們的宇宙中存在這樣一類神秘的行星，它們的質量與其具有的超大半徑完全不相匹配，這意味著該類行星具有極低的密度。天文學家們有時稱之為棉花糖行星，亦或戲稱為超級泡芙。

在太陽系內沒有哪一類行星具有類似這樣的特徵。即使與我們所熟知類木行星相比，其密度也要低得多的。令人費解的是，可以在遙遠的恆星系中發現它們的蹤跡。現在，兩位天文學家或許將會解開它的神秘面紗。

這兩位天文學家分別是來自卡內基大學的安東尼·皮羅和來自加州理工學院的什裡亞斯·維薩普拉加達。他們在天文學期刊上發表了一篇名為「關於超級泡芙行星是否可以解釋為有環系外行星的探索」的論文。

皮羅在新聞稿中談到：「我們應當思考存在這種可能性：如果這些行星並不像棉花糖般那麼空洞、飄逸呢，或者說它們之所以看起來那麼大，僅僅是因為它們被行星環包圍著呢？行星探索者們已經發現了超過4000顆系外行星。通過對系外行星進行精密的觀測，能夠大致確定它們的密度、質量、體積甚至是否位於恆星的宜居帶等特徵，但還沒有找到有效的方法來確定這些遙遠的天體是否有環。

太陽系中所有氣態和冰態巨行星都具有行星環，儘管只有土星環容易觀測到，所以很難去相信所有系外行星都不具有行星環。

大部分系外行星都是通過行星凌星法發現的。所謂行星凌星法，即是在行星凌星期間進行觀測（當行星運行至寄主星與地球間時）。依據凌星期間，恆星亮度的微小減弱，來探測出行星是否存在；同樣的，通過觀測行星對恆星的擾動，可以探測出行星的其他特徵。

無法根據行星凌星法來確定行星是否有環，所以天文學家們建立了這樣一個思想實驗：在遙遠的觀測者眼中土星是什麼樣子？

我們迫切的想要知道：假設有一個外星人，從遙遠的世界來觀測我們時，土星看上去是一顆有環行星，還是像個大號的泡芙呢。

哈勃望遠鏡拍攝的土星影像。如果遙遠觀測者採用行星凌星法觀測，土星在其眼中是什麼樣子呢？圖片來源：美國宇航局、歐洲航天局、A.西蒙（戈達德太空飛行中心）、M.H.Wong（加州大學伯克利分校）和皮米衛星發射團隊

最具有參考性的是土星：倘若外部觀測者在土星凌日時測算其質量，若不計算土星環，其真實密度將會被低估一倍。

在思想實驗的基礎之上，研究員們模擬了一顆凌日的有環行星，並模擬出一位擁有強大觀測儀器的遙遠天文學家所看到的景象，同時，他們也對行星環中可能影響觀測的物質類型進了研究。研究結果並不明朗，他們在論文中提到：行星環只可以解釋部分泡芙行星，因為他們沒有特徵光譜。

「我們開始思考，是否泡芙行星實際上是有環的，從而具有更大理論半徑。」這就可以解釋為什麼超級泡芙在凌星時不顯示特徵光譜。因為一顆普通的系外行星是有特徵光譜的，而有環行星則沒有。

這種假設在某些情況下是成立的，超級泡芙距離它們的寄主星很近，這要求組成行星環的物質只可能是巖石而不是冰。這反過來限制了形成行星環的半徑大小。

一顆有環行星凌日的假想圖。圖片來源：羅賓·迪內爾、卡內基科學研究所。

通過行星環半徑的限制可以解釋部分泡芙行星是否有環。論文中談到，「除非這些環是由空隙率很大的物質構成，否則很難解釋克卜勒51b、51c、51d和79d具有如此之大的體積。」這三顆克卜勒51行星，是已知密度最低的三顆泡芙行星。它們的體積都跟木星差不多，但質量只有地球的幾倍（木星質量約為地球的318倍）。

圖解：木星與地球對比，圖片來源：quanjing

皮羅在採訪中解釋道：這些行星通常在距離其主星很近的軌道上運行，所以行星環只可能是由巖石而不是冰構成。但是巖質環的半徑是受限制的，除非這些巖石的空隙率很高，並非所有超級泡芙都與這些條件吻合。

與克卜勒18b具有相當表面積的有環行星凌日的光譜曲線。上圖顯示了在行星凌日時的七個不同位置進行的計算，中間曲線的每一個點對應顯示了上圖中行星凌日時的數據（標準恆星照度）。底部曲線顯示相同投影面積下，有環行星和裸星凌日的區別。圖片來源：皮羅、維薩普拉加，2020年。

組成巖質行星環的物質的緻密程度和行星環大小都是受限的。如果其密度過大，或距離行星太遠則會在引力作用下融合成一顆衛星。

他們談到：至少有三顆已觀測到的泡芙行星或許可以認為是有環行星：克卜勒87c和177c以及HIP 41378f。克卜勒87c具有與海王星相當的體積，但其質量只有地球的6.4倍（海王星質量約為地球的17倍）。另外兩顆行星在體積和質量的對比上也有相似的差異。

圖解：克卜勒51與地球、天王星、海王星、木星、土星對比。圖片來源：NASA

和天文學中的諸多問題一樣，我們沒有能力通過觀測從而去確定這項研究是否準確。進行地面觀測會受到周邊環境光汙染影響，而需要觀測的泡芙行星的主星又太暗（HIP 41278 f是一個特例，在兩位作者完成這篇論文時，它已被確認為一顆泡芙行星）。同樣的，受觀測手段限制，目前還沒有觀測設備能夠探測到系外行星周圍的環，希望詹姆斯韋伯太空望遠鏡能夠開啟新的裡程碑。

對天文學來講，如果任何一個系外行星被證實是有環的，那都將會是巨大的進步。天文學家們就能夠以此更好地了解行星系的形成以及演變過程。

作者: Evan Gough

FY: Paul

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