哈伯揭开“超级泡芙行星”的秘密

这幅图描绘了类似太阳的恒星开普勒51和美国宇航局开普勒太空望远镜在2012-2014年发现的三颗大行星。这些行星的大小都和木星差不多，但质量只是木星的一小部分。根据哈勃太空望远镜的最新观测结果，这意味着这些行星的密度非常低，更像是聚苯乙烯泡沫而不是岩石或水。这些行星可能在离恒星更远的地方形成，并向内迁移。现在，它们膨胀的氢/氦大气层正在流失到太空中。最终，更小的行星可能会被抛在后面。背景星场的绘制是正确的，如果我们从开普勒51的大约2600光年的距离，沿着我们的银河系的猎户座旋臂往回看我们的太阳。然而，在这个模拟的裸眼视图中，太阳太暗了。资料来源:NASA, ESA，和L. Hustak, J. Olmsted, D. Player和F. Summers (STScI)

“超级泡芙”听起来像是一种新的早餐麦片。但它实际上是一个独特和罕见的年轻系外行星的昵称，这些行星的密度就像棉花糖一样。在我们的太阳系里没有类似的东西。

来自美国国家航空航天局哈勃太空望远镜的新数据首次为这两颗位于开普勒51星系的巨型行星的化学性质提供了线索。2012年，美国宇航局的开普勒太空望远镜发现了这个系外行星系统，然而，直到2014年这些行星的低密度才被确定，这让许多人感到惊讶。

最近哈勃望远镜的观测使得一组天文学家得以精确估计这些星球的质量和大小——独立地确认了它们“臃肿”的本质。虽然它们的质量不超过地球的几倍，但它们的氢/氦大气层非常膨胀，几乎和木星一样大，换句话说，这些行星可能看起来和木星一样大、一样大，但就质量而言，它们的重量大约是木星的100倍。

它们的大气如何以及为什么会向外膨胀仍是未知的，但这一特性使超级膨胀成为大气研究的首要目标，利用哈勃望远镜，研究小组去寻找组成成分的证据，特别是水，在行星的大气中，被称为开普勒-51 b和51 d。天文学家推断出大气层吸收的红外光的数量，这种类型的观测使科学家能够寻找行星化学成分的蛛马马迹，比如水。

令哈勃团队惊讶的是，他们发现这两颗行星的光谱没有任何明显的化学特征，他们将这一结果归因于大气层中的粒子云，“这完全出乎意料，”科罗拉多大学博尔德分校的杰西卡·利比-罗伯茨(Jessica Libby-Roberts)说，我们被云遮住了!”然而，与地球上的水云不同，这些行星上的云可能是由盐晶体或光化学烟雾组成的，就像在土星最大的卫星土卫六上发现的那样。

这幅图描绘了围绕类太阳恒星开普勒51的三颗大行星，与太阳系中的一些行星相比。这些行星的大小都和木星差不多，但质量只是木星的很小一部分。美国国家航空航天局(NASA)的开普勒太空望远镜(Kepler space telescope)在2012年至2014年探测到这些行星的影子，当时它们正从恒星前方经过。没有直接成像。因此，图中开普勒51行星的颜色是虚构的。资料来源:NASA、ESA、L. Hustak和J. Olmsted (STScI)

这些云为研究小组提供了关于开普勒-51 b和51 d如何与太阳系外其他低质量、富含气体的行星相比较的见解。当将这些超级喷流的平坦光谱与其他行星的光谱进行比较时，研究小组能够得出这样的假设：云/雾霾的形成与行星的温度有关——行星越冷，云量就越高。

该团队还探索了这些行星实际上根本不是超级膨胀的可能性，行星之间的引力对它们的轨道周期产生轻微的改变，从这些定时效应可以推导出行星的质量，通过将一颗行星从其恒星前面经过的时间变化(一种被称为凌日的事件)与开普勒太空望远镜观测到的凌日相结合，研究小组更好地推测了行星的质量和系统的动力学。他们的结果与之前对Kepler-51 b的测量结果一致。然而，他们发现Kepler-51 d的质量比之前认为的稍小(或者行星甚至更大)。

最后，研究小组得出结论，这些行星的低密度部分是由于太阳系的年轻造成的，与我们46亿年前的太阳相比，它只有5亿年的历史。模型显示，这些行星形成于恒星的“雪线”之外，这是冰物质可能存在的轨道区域，然后行星向内迁移，就像一列火车车厢。

现在，随着行星离恒星越来越近，它们的低密度大气层将在未来几十亿年内蒸发到太空中，利用行星演化模型，研究小组得以证明，离恒星最近的行星开普勒-51 b终有一天(十亿年后)会看起来像海王星的一个更小、更热的版本，海王星是一种在银河系中相当常见的行星，然而，离恒星较远的开普勒-51 d看起来将继续是一颗低密度的奇怪行星，尽管它会缩小并失去一些大气。“这个系统为测试早期行星演化理论提供了一个独特的实验室，”博尔德科罗拉多大学的Zach Berta-Thompson说。

好消息是对于确定这两个行星的大气成分来说，一切都没有白费，美国国家航空航天局即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜，由于其对较长红外波长的光的敏感度，可能能够透过云层窥视，未来用这台望远镜进行的观测可以让我们了解这些棉花糖行星到底是由什么构成的，在那之前，这些行星仍然是一个甜蜜的谜。

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