科学|是棉花糖行星，还是系外类木行星，一起探索吧 |

简介：棉花糖行星是指质量与其极大半径不匹配的密度极低的系外行星，那棉花糖行星是否也是带环的普通行星呢？经过假设推演，星环只能用于解释部分膨胀行星，目前暂无观测设备能探测到系外行星星环，也暂无明确方法判断它们是否有环。
我们的宇宙中存在这样一类神秘的行星，它们的质量与其具有的超大半径完全不相匹配，这意味着该类行星具有极低的密度。天文学家们有时称之为棉花糖行星，亦或戏称为超级泡芙。
在太阳系内没有哪一类行星具有类似这样的特征。即使与我们所熟知类木行星相比，其密度也要低得多的。令人费解的是，可以在遥远的恒星系中发现它们的踪迹。现在，两位天文学家或许将会解开它的神秘面纱。

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这两位天文学家分别是来自卡内基大学的安东尼·皮罗和来自加州理工学院的什里亚斯·维萨普拉加达。他们在天文学期刊上发表了一篇名为“关于超级泡芙行星是否可以解释为有环系外行星的探索”的论文。
皮罗在新闻稿中谈到：“我们应当思考存在这种可能性：如果这些行星并不像棉花糖般那么空洞、飘逸呢，或者说它们之所以看起来那么大，仅仅是因为它们被行星环包围着呢？行星探索者们已经发现了超过4000颗系外行星。通过对系外行星进行精密的观测，能够大致确定它们的密度、质量、体积甚至是否位于恒星的宜居带等特征，但还没有找到有效的方法来确定这些遥远的天体是否有环。

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太阳系中所有气态和冰态巨行星都具有行星环，尽管只有土星环容易观测到，所以很难去相信所有系外行星都不具有行星环。
大部分系外行星都是通过行星凌星法发现的。所谓行星凌星法，即是在行星凌星期间进行观测（当行星运行至寄主星与地球间时）。依据凌星期间，恒星亮度的微小减弱，来探测出行星是否存在；同样的，通过观测行星对恒星的扰动，可以探测出行星的其他特征。
无法根据行星凌星法来确定行星是否有环，所以天文学家们建立了这样一个思想实验：在遥远的观测者眼中土星是什么样子？
我们迫切的想要知道：假设有一个外星人，从遥远的世界来观测我们时，土星看上去是一颗有环行星，还是像个大号的泡芙呢。

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哈勃望远镜拍摄的土星影像。如果遥远观测者采用行星凌星法观测，土星在其眼中是什么样子呢？图片来源：美国宇航局、欧洲航天局、A.西蒙（戈达德太空飞行中心）、M.H.Wong（加州大学伯克利分校）和皮米卫星发射团队
最具有参考性的是土星：倘若外部观测者在土星凌日时测算其质量，若不计算土星环，其真实密度将会被低估一倍。
在思想实验的基础之上，研究员们模拟了一颗凌日的有环行星，并模拟出一位拥有强大观测仪器的遥远天文学家所看到的景象，同时，他们也对行星环中可能影响观测的物质类型进了研究。研究结果并不明朗，他们在论文中提到：行星环只可以解释部分泡芙行星，因为他们没有特征光谱。
“我们开始思考，是否泡芙行星实际上是有环的，从而具有更大理论半径。 ”这就可以解释为什么超级泡芙在凌星时不显示特征光谱。因为一颗普通的系外行星是有特征光谱的，而有环行星则没有。
这种假设在某些情况下是成立的，超级泡芙距离它们的寄主星很近，这要求组成行星环的物质只可能是岩石而不是冰。这反过来限制了形成行星环的半径大小。
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一颗有环行星凌日的假想图。图片来源：罗宾·迪内尔、卡内基科学研究所。
通过行星环半径的限制可以解释部分泡芙行星是否有环。论文中谈到， “除非这些环是由空隙率很大的物质构成，否则很难解释开普勒51b、51c、51d和79d具有如此之大的体积。 ”这三颗开普勒51行星，是已知密度最低的三颗泡芙行星。它们的体积都跟木星差不多，但质量只有地球的几倍（木星质量约为地球的318倍）。

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图解：木星与地球对比，图片来源：quanjing
皮罗在采访中解释道：这些行星通常在距离其主星很近的轨道上运行，所以行星环只可能是由岩石而不是冰构成。但是岩质环的半径是受限制的，除非这些岩石的空隙率很高，并非所有超级泡芙都与这些条件吻合。

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与开普勒18b具有相当表面积的有环行星凌日的光谱曲线。上图显示了在行星凌日时的七个不同位置进行的计算，中间曲线的每一个点对应显示了上图中行星凌日时的数据（标准恒星照度）。底部曲线显示相同投影面积下，有环行星和裸星凌日的区别。图片来源：皮罗、维萨普拉加， 2020年。
组成岩质行星环的物质的致密程度和行星环大小都是受限的。如果其密度过大，或距离行星太远则会在引力作用下融合成一颗卫星。
他们谈到：至少有三颗已观测到的泡芙行星或许可以认为是有环行星：开普勒87c和177c以及HIP 41378f 。开普勒87c具有与海王星相当的体积，但其质量只有地球的6.4倍（海王星质量约为地球的17倍）。另外两颗行星在体积和质量的对比上也有相似的差异。

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图解：开普勒51与地球、天王星、海王星、木星、土星对比。图片来源：NASA
和天文学中的诸多问题一样，我们没有能力通过观测从而去确定这项研究是否准确。进行地面观测会受到周边环境光污染影响，而需要观测的泡芙行星的主星又太暗（HIP 41278 f是一个特例，在两位作者完成这篇论文时，它已被确认为一颗泡芙行星）。同样的，受观测手段限制，目前还没有观测设备能够探测到系外行星周围的环，希望詹姆斯韦伯太空望远镜能够开启新的里程碑。
对天文学来讲，如果任何一个系外行星被证实是有环的，那都将会是巨大的进步。天文学家们就能够以此更好地了解行星系的形成以及演变过程。
作者: Evan Gough
FY: Paul
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