太阳系内，出现了一个“不该存在”的环

对围绕其他恒星运行的行星进行观测的间歇，欧洲航天局(ESA)的系外行星特性探测卫星(CHaracterising ExOPlanet Satellite，Cheops)任务为一个新发现做出了决定性贡献：在太阳系中一颗矮行星的周围，出现了一个意想不到的致密物质环。

这颗矮行星名为夸奥尔(Quaoar，又名创神星)，新发现的环所在的距离几乎是夸奥尔半径的7.5倍，这给天文学家带来了一个新的谜团：为什么这些物质没有聚结成一个小卫星?

夸奥尔和它的环系统示意图图片来源：ESA, CC BY-SA 3.0 IGO

如何观察太阳系中的遥远天体

通过2018年至2021年间进行的一系列观测，天文学家发现了这个意料之外的环系统。借助多台地面望远镜和天基望远镜系外行星特性探测卫星，天文学家观察到夸奥尔在一连串遥远的恒星前面穿过时，对恒星的光线造成了短暂的遮挡。

这种天文事件被称为掩星(occultation)。观察被遮挡的恒星发出的光是如何减弱的，可以提供遮挡天体大小和形状的相关信息，还可以揭示它是否拥有大气层。出乎意料的是，在掩星之前和之后还出现了两次光度的下降，这表明夸奥尔周围应该存在一个环系统。但这些环相当小，也非常微弱。

夸奥尔是一颗海王星外天体(trans-Neptunian objects，TNO)。海王星外天体又称海外天体，是一系列遥远的小型天体，我们已知的海外天体大约有3000颗。顾名思义，海外天体存在于太阳系外围，轨道平均距离比海王星(Neptune)的半长轴(30.1AU)还要长，冥王星(Pluto)和阋神星(Eris)是已知的最大的海外天体。夸奥尔的预估半径为555千米，是已知的体积第七大的海外天体，拥有一颗名为创卫一(Weywot)的小卫星，半径约为80千米。

研究这些矮行星并不容易，因为它们体积较小而距离极远。夸奥尔本身围绕太阳公转的距离几乎是日地距离的44倍。因此，掩星事件是特别有价值的研究工具。然而直到最近，天文学家仍然很难准确预测它们会在何时何地发生。

要观测到掩星，掩星物体(这里是海外天体)、恒星和观测望远镜之间的对准必须非常精确。在过去，这种几乎严格的准确性要求几乎不可能被满足，我们也无法确保能观测到掩星事件。为了实现这一目标，由布鲁诺·西卡尔迪(Bruno Sicardy)、法国索邦大学(Sorbonne University)和巴黎文理研究大学(PSL)空间科学与天体物理仪器实验室(LESIA)的巴黎天文台(Paris Observatory)协调创建了欧洲研究委员会(European Research Council)幸运星项目(Lucky Star project)，以预测即将发生的海外天体掩星事件，并协调全球的专业和业余天文台对这些事件进行观测。

精确对准

最近所观测到的恒星掩星数量有所增加，这在很大程度上要归功于ESA星图绘制任务盖亚(Gaia)的数据贡献。盖亚提供了极为精确的恒星位置数据，这让幸运星团队所做的预测变得更加确定。

ESA系外行星特性探测卫星任务的项目科学家凯特·伊萨克(Kate Isaak)很好奇空间望远镜是否也能捕观测到掩星事件，她联系了系外行星特性探测卫星任务委员会的成员、意大利国家天体物理研究所(INAF)卡塔尼亚天体物理天文台(Astrophysical Observatory of Catania)的伊莎贝拉·帕加诺(Isabella Pagano)，伊莎贝拉也是幸运星项目的成员之一。

“对于利用系外行星特性探测卫星来做到这一点，我其实有点怀疑。”伊莎贝拉承认，“但我们探索了可行性。”

主要问题是由于地球大气层上部的阻力，卫星的轨道可能会略有改变。这是由于不可预测的太阳活动会袭击地球，造成地球大气的膨胀。

事实上，研究团队第一次尝试利用系外行星特性探测卫星观察涉及冥王星的掩星事件时，预测准确性不够，并没有观测到掩星。

而在第二次对准尝试后，他们观察到了夸奥尔，并在此过程中首次探测到了来自太空的海外天体对恒星的掩星。

看到那个环

系外行星特性探测卫星示意图图片来源：ESA / ATG medialab

“系外行星特性探测卫星数据的信噪比非常惊人。”伊莎贝拉说。信噪比是检测到的信号相对于系统中的随机噪声有多强的一种量度。系外行星特性探测卫星给出了一个很好的信噪比，因为它的观测没有受到地球低层大气的扭曲。

对于识别夸奥尔的环系统，这种较高的信噪比是决定性的，它让研究人员能够排除掉光度下降是由地球大气干扰造成的可能性。通过结合使用地面望远镜拍摄的几次二度检测，可以确定它们是由夸奥尔周围的环形系统引起的。

巴西里约热内卢联邦大学(Universidade Federal do Rio de Janeiro)的布鲁诺·莫尔加多(Bruno Morgado)领导了这项分析，他将系外行星特性探测卫星的数据与来自世界各地大型专业天文台和业余公民科学家的数据结合起来，他们在过去几年中都观测过夸奥尔掩星事件中的各种恒星。“当我们把所有数据结合起来看，我们看到光度下降不是由夸奥尔本身引起的，而是指向了它周围的圆形轨道上存在一些物质。我们一看到就说，‘好吧，我们在夸奥尔周围看到了一个环。’”相关研究已发表于《自然》(Nature)杂志。

当谈到环系统时，最著名的当属土星环。土星被称为有环行星(ringed planet)，拥有环绕行星赤道的一系列尘埃和小卫星。土星环在视觉上极尽壮观，但实际上这是一个质量非常小的环系统，整体只有土星卫星土卫一(Mimas)质量的三分之一到二分之一，或者地球南极冰架质量的一半左右。

夸奥尔的环比土星的环小得多，但同样引人入胜。它并非已知的存在于矮行星或小行星周围的唯一环系统，天文学家通过地面观测曾发现了另外两个，分别围绕着女凯龙星(Chariklo)和妊神星(Haumea)。然而，夸奥尔环的独特之处在于它相对于夸奥尔本身的位置。

超越洛希极限

任何具有可观引力场的天体都会有一个极限，在这个极限内，天体会被撕成碎片，这一极限被称为洛希极限(Roche limit)。致密的环系统理论上将存在于洛希极限内，土星、女凯龙星和妊神星就是这种情况。

“所以，关于夸奥尔周围的这一发现如此有趣的地方就在于，这个环的位置比洛希极限更远。”意大利国家天体物理研究所卡塔尼亚天体物理天文台的乔瓦尼·布鲁诺(Giovanni Bruno)说。

这是一个谜，因为按照传统理论，超过洛希极限的环将在短短几十年内聚合成一个小卫星。“根据我们的观察，必须彻底修正这一经典理论，即致密的环系统只能存在于行星体的洛希极限内。”乔瓦尼说。

早期结果表明，夸奥尔极低的温度可能在防止冰颗粒粘在一起上发挥了作用，但还须要进行更多调查。

“系外行星特性探测卫星的观测在确定夸奥尔周围存在环系统方面发挥了关键作用，在高精度光度学的应用上，超越了任务中更典型的系外行星科学。”凯特说。

在理论家开始研究夸奥尔环如何存在的同时，幸运之星项目将继续观察夸奥尔和其他的海外天体，借助它们遮挡遥远恒星的光来测量它们的物理特性，看看有多少其他海外天体也拥有环系统。

系外行星特性探测卫星将回归它最初的任务，继续研究附近的系外行星。

关于系外行星特性探测卫星

系外行星特性探测卫星是ESA与瑞士伯尔尼大学(University of Bern)领导的专门财团合作开发的一项任务，奥地利、比利时、法国、德国、匈牙利、意大利、葡萄牙、西班牙、瑞典和英国也做出了重要贡献。

ESA是系外行星特性探测卫星任务的设计方，负责卫星的采购和测试、发射和早期运行、在轨调试，以及世界各地的科学家可以申请使用系外行星特性探测卫星进行观测的客座观察员计划(Guest Observers’ Programme)。由瑞士牵头的11个ESA成员国组成的财团为此次任务提供了基本资助。航天器设计和建造的主要承包商是位于西班牙马德里的空中客车集团防务与航天公司(Airbus Defence and Space)。

编辑：ZMX 审编：AD