簡(jiǎn)介：棉花糖行星是指質(zhì)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(huán)的普通行星呢？經(jīng)過(guò)假設(shè)推演，星環(huán)只能用于解釋部分膨脹行星，目前暫無(wú)觀測(cè)設(shè)備能探測(cè)到系外行星星環(huán)，也暫無(wú)明確方法判斷它們是否有環(huán)。

我們的宇宙中存在這樣一類神秘的行星，它們的質(zhì)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(xué)家們有時(shí)稱之為棉花糖行星，亦或戲稱為超級(jí)泡芙。

在太陽(yáng)系內(nèi)沒(méi)有哪一類行星具有類似這樣的特征。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(fèi)解的是，可以在遙遠(yuǎn)的恒星系中發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡?，F(xiàn)在，兩位天文學(xué)家或許將會(huì)解開(kāi)它的神秘面紗。

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這兩位天文學(xué)家分別是來(lái)自卡內(nèi)基大學(xué)的安東尼·皮羅和來(lái)自加州理工學(xué)院的什里亞斯·維薩普拉加達(dá)。他們?cè)谔煳膶W(xué)期刊上發(fā)表了一篇名為“關(guān)于超級(jí)泡芙行星是否可以解釋為有環(huán)系外行星的探索”的論文。

皮羅在新聞稿中談到：“我們應(yīng)當(dāng)思考存在這種可能性：如果這些行星并不像棉花糖般那么空洞、飄逸呢，或者說(shuō)它們之所以看起來(lái)那么大，僅僅是因?yàn)樗鼈儽恍行黔h(huán)包圍著呢？行星探索者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)4000顆系外行星。通過(guò)對(duì)系外行星進(jìn)行精密的觀測(cè)，能夠大致確定它們的密度、質(zhì)量、體積甚至是否位于恒星的宜居帶等特征，但還沒(méi)有找到有效的方法來(lái)確定這些遙遠(yuǎn)的天體是否有環(huán)。

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太陽(yáng)系中所有氣態(tài)和冰態(tài)巨行星都具有行星環(huán)，盡管只有土星環(huán)容易觀測(cè)到，所以很難去相信所有系外行星都不具有行星環(huán)。

大部分系外行星都是通過(guò)行星凌星法發(fā)現(xiàn)的。所謂行星凌星法，即是在行星凌星期間進(jìn)行觀測(cè)（當(dāng)行星運(yùn)行至寄主星與地球間時(shí)）。依據(jù)凌星期間，恒星亮度的微小減弱，來(lái)探測(cè)出行星是否存在；同樣的，通過(guò)觀測(cè)行星對(duì)恒星的擾動(dòng)，可以探測(cè)出行星的其他特征。

無(wú)法根據(jù)行星凌星法來(lái)確定行星是否有環(huán)，所以天文學(xué)家們建立了這樣一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：在遙遠(yuǎn)的觀測(cè)者眼中土星是什么樣子？

我們迫切的想要知道：假設(shè)有一個(gè)外星人，從遙遠(yuǎn)的世界來(lái)觀測(cè)我們時(shí)，土星看上去是一顆有環(huán)行星，還是像個(gè)大號(hào)的泡芙呢。

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哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的土星影像。如果遙遠(yuǎn)觀測(cè)者采用行星凌星法觀測(cè)，土星在其眼中是什么樣子呢？圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局、歐洲航天局、A.西蒙（戈達(dá)德太空飛行中心）、M.H.Wong（加州大學(xué)伯克利分校）和皮米衛(wèi)星發(fā)射團(tuán)隊(duì)

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最具有參考性的是土星：倘若外部觀測(cè)者在土星凌日時(shí)測(cè)算其質(zhì)量，若不計(jì)算土星環(huán)，其真實(shí)密度將會(huì)被低估一倍。

在思想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，研究員們模擬了一顆凌日的有環(huán)行星，并模擬出一位擁有強(qiáng)大觀測(cè)儀器的遙遠(yuǎn)天文學(xué)家所看到的景象，同時(shí)，他們也對(duì)行星環(huán)中可能影響觀測(cè)的物質(zhì)類型進(jìn)了研究。研究結(jié)果并不明朗，他們?cè)谡撐闹刑岬剑盒行黔h(huán)只可以解釋部分泡芙行星，因?yàn)樗麄儧](méi)有特征光譜。

“我們開(kāi)始思考，是否泡芙行星實(shí)際上是有環(huán)的，從而具有更大理論半徑?！边@就可以解釋為什么超級(jí)泡芙在凌星時(shí)不顯示特征光譜。因?yàn)橐活w普通的系外行星是有特征光譜的，而有環(huán)行星則沒(méi)有。

這種假設(shè)在某些情況下是成立的，超級(jí)泡芙距離它們的寄主星很近，這要求組成行星環(huán)的物質(zhì)只可能是巖石而不是冰。這反過(guò)來(lái)限制了形成行星環(huán)的半徑大小。

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一顆有環(huán)行星凌日的假想圖。圖片來(lái)源：羅賓·迪內(nèi)爾、卡內(nèi)基科學(xué)研究所。

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通過(guò)行星環(huán)半徑的限制可以解釋部分泡芙行星是否有環(huán)。論文中談到，“除非這些環(huán)是由空隙率很大的物質(zhì)構(gòu)成，否則很難解釋開(kāi)普勒51b、51c、51d和79d具有如此之大的體積?！边@三顆開(kāi)普勒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(zhì)量只有地球的幾倍（木星質(zhì)量約為地球的318倍）。

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圖解：木星與地球?qū)Ρ?，圖片來(lái)源：quanjing

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皮羅在采訪中解釋道：這些行星通常在距離其主星很近的軌道上運(yùn)行，所以行星環(huán)只可能是由巖石而不是冰構(gòu)成。但是巖質(zhì)環(huán)的半徑是受限制的，除非這些巖石的空隙率很高，并非所有超級(jí)泡芙都與這些條件吻合。

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與開(kāi)普勒18b具有相當(dāng)表面積的有環(huán)行星凌日的光譜曲線。上圖顯示了在行星凌日時(shí)的七個(gè)不同位置進(jìn)行的計(jì)算，中間曲線的每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)顯示了上圖中行星凌日時(shí)的數(shù)據(jù)（標(biāo)準(zhǔn)恒星照度）。底部曲線顯示相同投影面積下，有環(huán)行星和裸星凌日的區(qū)別。圖片來(lái)源：皮羅、維薩普拉加，2020年。

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組成巖質(zhì)行星環(huán)的物質(zhì)的致密程度和行星環(huán)大小都是受限的。如果其密度過(guò)大，或距離行星太遠(yuǎn)則會(huì)在引力作用下融合成一顆衛(wèi)星。

他們談到：至少有三顆已觀測(cè)到的泡芙行星或許可以認(rèn)為是有環(huán)行星：開(kāi)普勒87c和177c以及HIP 41378f。開(kāi)普勒87c具有與海王星相當(dāng)?shù)捏w積，但其質(zhì)量只有地球的6.4倍（海王星質(zhì)量約為地球的17倍）。另外兩顆行星在體積和質(zhì)量的對(duì)比上也有相似的差異。

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圖解：開(kāi)普勒51與地球、天王星、海王星、木星、土星對(duì)比。圖片來(lái)源：NASA

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和天文學(xué)中的諸多問(wèn)題一樣，我們沒(méi)有能力通過(guò)觀測(cè)從而去確定這項(xiàng)研究是否準(zhǔn)確。進(jìn)行地面觀測(cè)會(huì)受到周邊環(huán)境光污染影響，而需要觀測(cè)的泡芙行星的主星又太暗（HIP 41278 f是一個(gè)特例，在兩位作者完成這篇論文時(shí)，它已被確認(rèn)為一顆泡芙行星）。同樣的，受觀測(cè)手段限制，目前還沒(méi)有觀測(cè)設(shè)備能夠探測(cè)到系外行星周?chē)沫h(huán)，希望詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡能夠開(kāi)啟新的里程碑。

對(duì)天文學(xué)來(lái)講，如果任何一個(gè)系外行星被證實(shí)是有環(huán)的，那都將會(huì)是巨大的進(jìn)步。天文學(xué)家們就能夠以此更好地了解行星系的形成以及演變過(guò)程。

作者: Evan Gough

FY: Paul

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