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天文|是棉花糖行星，还是系外类木行星，一起探索吧

简介：棉花糖行星是指质量与其极大半径不匹配的密度极低的系外行星 ， 那棉花糖行星是否也是带环的普通行星呢？经过假设推演 ， 星环只能用于解释部分膨胀行星 ， 目前暂无观测设备能探测到系外行星星环 ， 也暂无明确方法判断它们是否有环 。
我们的宇宙中存在这样一类神秘的行星 ， 它们的质量与其具有的超大半径完全不相匹配 ， 这意味着该类行星具有极低的密度 。 天文学家们有时称之为棉花糖行星 ， 亦或戏称为超级泡芙 。
在太阳系内没有哪一类行星具有类似这样的特征 。 即使与我们所熟知类木行星相比 ， 其密度也要低得多的 。 令人费解的是 ， 可以在遥远的恒星系中发现它们的踪迹 。 现在 ， 两位天文学家或许将会解开它的神秘面纱 。
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这两位天文学家分别是来自卡内基大学的安东尼·皮罗和来自加州理工学院的什里亚斯·维萨普拉加达 。 他们在天文学期刊上发表了一篇名为“关于超级泡芙行星是否可以解释为有环系外行星的探索”的论文 。
皮罗在新闻稿中谈到：“我们应当思考存在这种可能性：如果这些行星并不像棉花糖般那么空洞、飘逸呢 ， 或者说它们之所以看起来那么大 ， 仅仅是因为它们被行星环包围着呢？行星探索者们已经发现了超过4000颗系外行星 。 通过对系外行星进行精密的观测 ， 能够大致确定它们的密度、质量、体积甚至是否位于恒星的宜居带等特征 ， 但还没有找到有效的方法来确定这些遥远的天体是否有环 。
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太阳系中所有气态和冰态巨行星都具有行星环 ， 尽管只有土星环容易观测到 ， 所以很难去相信所有系外行星都不具有行星环 。
大部分系外行星都是通过行星凌星法发现的 。 所谓行星凌星法 ， 即是在行星凌星期间进行观测（当行星运行至寄主星与地球间时） 。 依据凌星期间 ， 恒星亮度的微小减弱 ， 来探测出行星是否存在；同样的 ， 通过观测行星对恒星的扰动 ， 可以探测出行星的其他特征 。
无法根据行星凌星法来确定行星是否有环 ， 所以天文学家们建立了这样一个思想实验：在遥远的观测者眼中土星是什么样子？
我们迫切的想要知道：假设有一个外星人 ， 从遥远的世界来观测我们时 ， 土星看上去是一颗有环行星 ， 还是像个大号的泡芙呢 。
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哈勃望远镜拍摄的土星影像 。 如果遥远观测者采用行星凌星法观测 ， 土星在其眼中是什么样子呢？图片来源：美国宇航局、欧洲航天局、A.西蒙（戈达德太空飞行中心）、M.H.Wong（加州大学伯克利分校）和皮米卫星发射团队

最具有参考性的是土星：倘若外部观测者在土星凌日时测算其质量 ， 若不计算土星环 ， 其真实密度将会被低估一倍 。
在思想实验的基础之上 ， 研究员们模拟了一颗凌日的有环行星 ， 并模拟出一位拥有强大观测仪器的遥远天文学家所看到的景象 ， 同时 ， 他们也对行星环中可能影响观测的物质类型进了研究 。 研究结果并不明朗 ， 他们在论文中提到：行星环只可以解释部分泡芙行星 ， 因为他们没有特征光谱 。
“我们开始思考 ， 是否泡芙行星实际上是有环的 ， 从而具有更大理论半径 。 ”这就可以解释为什么超级泡芙在凌星时不显示特征光谱 。 因为一颗普通的系外行星是有特征光谱的 ， 而有环行星则没有 。
这种假设在某些情况下是成立的 ， 超级泡芙距离它们的寄主星很近 ， 这要求组成行星环的物质只可能是岩石而不是冰 。 这反过来限制了形成行星环的半径大小 。
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一颗有环行星凌日的假想图 。 图片来源：罗宾·迪内尔、卡内基科学研究所 。

通过行星环半径的限制可以解释部分泡芙行星是否有环 。 论文中谈到 ， “除非这些环是由空隙率很大的物质构成 ， 否则很难解释开普勒51b、51c、51d和79d具有如此之大的体积 。 ”这三颗开普勒51行星 ， 是已知密度最低的三颗泡芙行星 。 它们的体积都跟木星差不多 ， 但质量只有地球的几倍（木星质量约为地球的318倍） 。
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图解：木星与地球对比 ， 图片来源：quanjing

皮罗在采访中解释道：这些行星通常在距离其主星很近的轨道上运行 ， 所以行星环只可能是由岩石而不是冰构成 。 但是岩质环的半径是受限制的 ， 除非这些岩石的空隙率很高 ， 并非所有超级泡芙都与这些条件吻合 。


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