两颗‘超级蓬松’行星挑战物理学：这些气体巨星的密度比棉花糖还轻
精选图片： TOI-791星系的艺术想象图，展示了两颗超级蓬松行星围绕恒星运行。图片来源：NASA/Daniel Rutter
天文学家已确认了一对密度低得离谱的行星，相比之下棉花糖都显得密度很大。这两颗气体巨星围绕TOI-791恒星运行，距离地球约1,120光年，位于南天的飞鱼座，是迄今发现密度最小的行星。内侧行星TOI-791 b的密度仅为0.038克/立方厘米，大约是棉花糖密度的三分之一。
作为对比，木星的密度为1.33 g/cm³。太阳系中密度最小的土星密度为0.69 g/cm³。岩石构成的地球密度为5.5 g/cm³。TOI-791 b的直径与木星大致相同，但质量仅为木星的3%。其伴星TOI-791 c实际上比木星更大，质量却更小。
这项研究成果发表在《皇家天文学会月刊》（MNRAS）上，并于上周由牛津大学George Dransfield博士领导的团队公布。
“已知的超级蓬松行星屈指可数，而在同一个系统中发现两颗则更加罕见，”Dransfield表示。”它们的极低密度使其成为理解行星系统形成和演化的迷人目标。”
如何称量一团棉絮？
测量一颗本质上只是稀薄气体包层的行星的质量面临着严峻挑战。研究团队利用一种名为”凌星计时变化法”（TTVs）的技术完成了这一壮举，该技术利用了两颗行星之间的引力舞蹈。当每颗行星从其恒星前方经过时，另一颗行星的引力会将其微微向前或向后拉动，从而在每次凌星的时间上产生可测量的偏移。这些微小的变化揭示了行星的质量。
数据来自NASA的TESS（凌星系外行星巡天卫星），该卫星在七年内对整个系统进行了总计1,122天的观测。但要获取完整的图像，还需要来自一个不寻常地点的地面帮助，，南极洲。
由蔚蓝海岸大学在南极康宏站运营的ASTEP望远镜，对于观测这些行星异常漫长的凌星过程至关重要。TOI-791 b每139天绕恒星公转一圈，TOI-791 c每232天公转一圈，这比大多数已知的凌星系外行星要长得多，后者通常只需数天或数周就能绕恒星运行一周。每次凌星持续超过11小时，这是从地面完整观测到的最长的连续行星凌星。南极长达数月的持续冬季黑暗使其成为地球上唯一能让这些马拉松式观测成功的地方。
这两颗行星被锁定在5:3的平均运动共振中：TOI-791 b每完成五次公转，TOI-791 c几乎精确地完成三次。这种共振不仅使质量测量成为可能，还为该系统的动力学历史提供了线索，表明这些行星在系统形成早期曾一起通过原行星盘向内迁移。
行星形成模型的难题
超级蓬松行星对巨行星形成的标准核心吸积模型提出了挑战。该理论认为，需要大约10个地球质量的固体核心才能触发失控的气体吸积。TOI-791 b仅有木星质量的3%，却分布在木星大小的体积上，似乎完全缺乏实质性的核心。
主要假设是，这些行星在其恒星远处的原行星盘寒冷区域积累了巨大的氢气和氦气大气层，在那里气体可以围绕一个小得多的种子快速冷却和聚集。它们目前的轨道位于0.6和0.86天文单位（大致相当于金星到太阳的距离），表明它们后来向内迁移了。
NASA艾姆斯研究中心的科学负责人Jon Jenkins表示，这些星球代表了”一个需要我们解决的谜题，即木星这样的巨行星和超级蓬松行星是如何形成的。”
已知只有其他四个星系拥有多颗超级蓬松行星，这使得TOI-791成为比较行星科学领域一个极其罕见的实验室。研究团队已经提议利用詹姆斯·韦布空间望远镜进行后续观测，以评估这些蓬松的大气中是否含有碳、氮和氧的分子，这将揭示这些不寻常的星球是如何形成和演化的。
伯明翰大学的Amaury Triaud教授（ASTEP项目英国首席研究员）表示，JWST的观测可能揭示”关于这些不寻常行星如何形成的新见解。”
这一发现也凸显了公民科学的价值。这两颗行星的候选者最初是由Planet Hunters TESS项目标记的，这是一个志愿者项目，邀请业余天文学家扫描TESS数据以寻找凌星信号。TOI-791 b于2019年被识别，TOI-791 c于2023年被识别，比专业天文学家确认这一发现早了数年。
“这一发现凸显了天文学领域持续国际合作的重要性，”蔚蓝海岸大学的Tristan Guillot教授（ASTEP首席研究员）表示。”将来自南极、太空望远镜和多个大陆天文台的观测结合起来，对于揭示这些非凡行星的真实本质至关重要。”
翻译：婷 (1ban.news)