對(duì)圍繞其他恒星運(yùn)行的行星進(jìn)行觀測(cè)的間歇，歐洲航天局（ESA）的系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星（CHaracterising ExOPlanet Satellite，Cheops）任務(wù)為一個(gè)新發(fā)現(xiàn)做出了決定性貢獻(xiàn)：在太陽(yáng)系中一顆矮行星的周?chē)?，出現(xiàn)了一個(gè)意想不到的致密物質(zhì)環(huán)。

這顆矮行星名為夸奧爾（Quaoar，又名創(chuàng)神星），新發(fā)現(xiàn)的環(huán)所在的距離幾乎是夸奧爾半徑的7.5倍，這給天文學(xué)家?guī)?lái)了一個(gè)新的謎團(tuán)：為什么這些物質(zhì)沒(méi)有聚結(jié)成一個(gè)小衛(wèi)星？

夸奧爾和它的環(huán)系統(tǒng)示意圖圖片來(lái)源：ESA, CC BY-SA 3.0 IGO

如何觀察太陽(yáng)系中的遙遠(yuǎn)天體

通過(guò)2018年至2021年間進(jìn)行的一系列觀測(cè)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這個(gè)意料之外的環(huán)系統(tǒng)。借助多臺(tái)地面望遠(yuǎn)鏡和天基望遠(yuǎn)鏡系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星，天文學(xué)家觀察到夸奧爾在一連串遙遠(yuǎn)的恒星前面穿過(guò)時(shí)，對(duì)恒星的光線造成了短暫的遮擋。

這種天文事件被稱為掩星（occultation）。觀察被遮擋的恒星發(fā)出的光是如何減弱的，可以提供遮擋天體大小和形狀的相關(guān)信息，還可以揭示它是否擁有大氣層。出乎意料的是，在掩星之前和之后還出現(xiàn)了兩次光度的下降，這表明夸奧爾周?chē)鷳?yīng)該存在一個(gè)環(huán)系統(tǒng)。但這些環(huán)相當(dāng)小，也非常微弱。

夸奧爾是一顆海王星外天體（trans-Neptunian objects，TNO）。海王星外天體又稱海外天體，是一系列遙遠(yuǎn)的小型天體，我們已知的海外天體大約有3000顆。顧名思義，海外天體存在于太陽(yáng)系外圍，軌道平均距離比海王星（Neptune）的半長(zhǎng)軸（30.1AU）還要長(zhǎng)，冥王星（Pluto）和鬩神星（Eris）是已知的最大的海外天體?？鋳W爾的預(yù)估半徑為555千米，是已知的體積第七大的海外天體，擁有一顆名為創(chuàng)衛(wèi)一（Weywot）的小衛(wèi)星，半徑約為80千米。

研究這些矮行星并不容易，因?yàn)樗鼈凅w積較小而距離極遠(yuǎn)?？鋳W爾本身圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的距離幾乎是日地距離的44倍。因此，掩星事件是特別有價(jià)值的研究工具。然而直到最近，天文學(xué)家仍然很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)它們會(huì)在何時(shí)何地發(fā)生。

要觀測(cè)到掩星，掩星物體（這里是海外天體）、恒星和觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡之間的對(duì)準(zhǔn)必須非常精確。在過(guò)去，這種幾乎嚴(yán)格的準(zhǔn)確性要求幾乎不可能被滿足，我們也無(wú)法確保能觀測(cè)到掩星事件。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，由布魯諾·西卡爾迪（Bruno Sicardy）、法國(guó)索邦大學(xué)（Sorbonne University）和巴黎文理研究大學(xué)（PSL）空間科學(xué)與天體物理儀器實(shí)驗(yàn)室（LESIA）的巴黎天文臺(tái)（Paris Observatory）協(xié)調(diào)創(chuàng)建了歐洲研究委員會(huì)（European Research Council）幸運(yùn)星項(xiàng)目（Lucky Star project），以預(yù)測(cè)即將發(fā)生的海外天體掩星事件，并協(xié)調(diào)全球的專業(yè)和業(yè)余天文臺(tái)對(duì)這些事件進(jìn)行觀測(cè)。

精確對(duì)準(zhǔn)

最近所觀測(cè)到的恒星掩星數(shù)量有所增加，這在很大程度上要?dú)w功于ESA星圖繪制任務(wù)蓋亞（Gaia）的數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)。蓋亞提供了極為精確的恒星位置數(shù)據(jù)，這讓幸運(yùn)星團(tuán)隊(duì)所做的預(yù)測(cè)變得更加確定。

ESA系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星任務(wù)的項(xiàng)目科學(xué)家凱特·伊薩克（Kate Isaak）很好奇空間望遠(yuǎn)鏡是否也能捕觀測(cè)到掩星事件，她聯(lián)系了系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星任務(wù)委員會(huì)的成員、意大利國(guó)家天體物理研究所（INAF）卡塔尼亞天體物理天文臺(tái)（Astrophysical Observatory of Catania）的伊莎貝拉·帕加諾（Isabella Pagano），伊莎貝拉也是幸運(yùn)星項(xiàng)目的成員之一。

“對(duì)于利用系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星來(lái)做到這一點(diǎn)，我其實(shí)有點(diǎn)懷疑?！币辽惱姓J(rèn)，“但我們探索了可行性?！?/p>

主要問(wèn)題是由于地球大氣層上部的阻力，衛(wèi)星的軌道可能會(huì)略有改變。這是由于不可預(yù)測(cè)的太陽(yáng)活動(dòng)會(huì)襲擊地球，造成地球大氣的膨脹。

事實(shí)上，研究團(tuán)隊(duì)第一次嘗試?yán)孟低庑行翘匦蕴綔y(cè)衛(wèi)星觀察涉及冥王星的掩星事件時(shí)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性不夠，并沒(méi)有觀測(cè)到掩星。

而在第二次對(duì)準(zhǔn)嘗試后，他們觀察到了夸奧爾，并在此過(guò)程中首次探測(cè)到了來(lái)自太空的海外天體對(duì)恒星的掩星。

看到那個(gè)環(huán)

系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星示意圖圖片來(lái)源：ESA / ATG medialab

“系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的信噪比非常驚人?！币辽惱f(shuō)。信噪比是檢測(cè)到的信號(hào)相對(duì)于系統(tǒng)中的隨機(jī)噪聲有多強(qiáng)的一種量度。系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星給出了一個(gè)很好的信噪比，因?yàn)樗挠^測(cè)沒(méi)有受到地球低層大氣的扭曲。

對(duì)于識(shí)別夸奧爾的環(huán)系統(tǒng)，這種較高的信噪比是決定性的，它讓研究人員能夠排除掉光度下降是由地球大氣干擾造成的可能性。通過(guò)結(jié)合使用地面望遠(yuǎn)鏡拍攝的幾次二度檢測(cè)，可以確定它們是由夸奧爾周?chē)沫h(huán)形系統(tǒng)引起的。

巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)（Universidade Federal do Rio de Janeiro）的布魯諾·莫爾加多（Bruno Morgado）領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)分析，他將系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)與來(lái)自世界各地大型專業(yè)天文臺(tái)和業(yè)余公民科學(xué)家的數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，他們?cè)谶^(guò)去幾年中都觀測(cè)過(guò)夸奧爾掩星事件中的各種恒星?！爱?dāng)我們把所有數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)看，我們看到光度下降不是由夸奧爾本身引起的，而是指向了它周?chē)膱A形軌道上存在一些物質(zhì)。我們一看到就說(shuō)，‘好吧，我們?cè)诳鋳W爾周?chē)吹搅艘粋€(gè)環(huán)。’”相關(guān)研究已發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。

當(dāng)談到環(huán)系統(tǒng)時(shí)，最著名的當(dāng)屬土星環(huán)。土星被稱為有環(huán)行星（ringed planet），擁有環(huán)繞行星赤道的一系列塵埃和小衛(wèi)星。土星環(huán)在視覺(jué)上極盡壯觀，但實(shí)際上這是一個(gè)質(zhì)量非常小的環(huán)系統(tǒng)，整體只有土星衛(wèi)星土衛(wèi)一（Mimas）質(zhì)量的三分之一到二分之一，或者地球南極冰架質(zhì)量的一半左右。

夸奧爾的環(huán)比土星的環(huán)小得多，但同樣引人入勝。它并非已知的存在于矮行星或小行星周?chē)奈ㄒ画h(huán)系統(tǒng)，天文學(xué)家通過(guò)地面觀測(cè)曾發(fā)現(xiàn)了另外兩個(gè)，分別圍繞著女凱龍星（Chariklo）和妊神星（Haumea）。然而，夸奧爾環(huán)的獨(dú)特之處在于它相對(duì)于夸奧爾本身的位置。

超越洛希極限

任何具有可觀引力場(chǎng)的天體都會(huì)有一個(gè)極限，在這個(gè)極限內(nèi)，天體會(huì)被撕成碎片，這一極限被稱為洛希極限（Roche limit）。致密的環(huán)系統(tǒng)理論上將存在于洛希極限內(nèi)，土星、女凱龍星和妊神星就是這種情況。

“所以，關(guān)于夸奧爾周?chē)倪@一發(fā)現(xiàn)如此有趣的地方就在于，這個(gè)環(huán)的位置比洛希極限更遠(yuǎn)?！币獯罄麌?guó)家天體物理研究所卡塔尼亞天體物理天文臺(tái)的喬瓦尼·布魯諾（Giovanni Bruno）說(shuō)。

這是一個(gè)謎，因?yàn)榘凑諅鹘y(tǒng)理論，超過(guò)洛希極限的環(huán)將在短短幾十年內(nèi)聚合成一個(gè)小衛(wèi)星。“根據(jù)我們的觀察，必須徹底修正這一經(jīng)典理論，即致密的環(huán)系統(tǒng)只能存在于行星體的洛希極限內(nèi)?！眴掏吣嵴f(shuō)。

早期結(jié)果表明，夸奧爾極低的溫度可能在防止冰顆粒粘在一起上發(fā)揮了作用，但還須要進(jìn)行更多調(diào)查。

“系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星的觀測(cè)在確定夸奧爾周?chē)嬖诃h(huán)系統(tǒng)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，在高精度光度學(xué)的應(yīng)用上，超越了任務(wù)中更典型的系外行星科學(xué)。”凱特說(shuō)。

在理論家開(kāi)始研究夸奧爾環(huán)如何存在的同時(shí)，幸運(yùn)之星項(xiàng)目將繼續(xù)觀察夸奧爾和其他的海外天體，借助它們遮擋遙遠(yuǎn)恒星的光來(lái)測(cè)量它們的物理特性，看看有多少其他海外天體也擁有環(huán)系統(tǒng)。

系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星將回歸它最初的任務(wù)，繼續(xù)研究附近的系外行星。

關(guān)于系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星

系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星是ESA與瑞士伯爾尼大學(xué)（University of Bern）領(lǐng)導(dǎo)的專門(mén)財(cái)團(tuán)合作開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)任務(wù)，奧地利、比利時(shí)、法國(guó)、德國(guó)、匈牙利、意大利、葡萄牙、西班牙、瑞典和英國(guó)也做出了重要貢獻(xiàn)。

ESA是系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星任務(wù)的設(shè)計(jì)方，負(fù)責(zé)衛(wèi)星的采購(gòu)和測(cè)試、發(fā)射和早期運(yùn)行、在軌調(diào)試，以及世界各地的科學(xué)家可以申請(qǐng)使用系外行星特性探測(cè)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)的客座觀察員計(jì)劃（Guest Observers’ Programme）。由瑞士牽頭的11個(gè)ESA成員國(guó)組成的財(cái)團(tuán)為此次任務(wù)提供了基本資助。航天器設(shè)計(jì)和建造的主要承包商是位于西班牙馬德里的空中客車(chē)集團(tuán)防務(wù)與航天公司（Airbus Defence and Space）。

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