棉花糖般的行星：质量不超过地球的几倍，但体积却跟木星一样大

“超级泡芙”听起来可能像是一种新的早餐麦片，但它实际上是一类独特而罕见年轻系外行星的代名词，这些行星的密度像棉花糖一样，但在我们的太阳系中不存在这样的天体。来自美国宇航局哈勃太空望远镜的新数据，为开普勒51系统中两颗“超级泡芙”膨胀行星的化学提供了第一批线索。早在2012年，NASA开普勒太空望远镜发现了这个系外行星系统，它实际上拥有三个围绕着一颗年轻类似太阳的恒星运行。

然而，令许多人惊讶的是，直到2014年才确定了这些行星的低密度。哈勃望远镜的新观测，使一组天文学家得以改进这些星球的质量和大小估计，独立地证实了它们的“膨胀”性质。虽然它们的质量不超过地球几倍，但它们的氢/氦大气层非常膨胀，几乎有木星那么大。换句话说，这些行星看起来可能和木星一样大和笨重，但质量大约轻一百倍目前尚不清楚它们的大气层是如何以及为什么向外膨胀

但这一特征使“超级泡芙”成为大气研究的首要目标。使用哈勃望远镜，研究小组寻找开普勒-51b和51d行星大气中成分的证据，尤其是水。哈勃望远镜在行星经过恒星前面时观察了它们，目的是观察它们日落的红外颜色。天文学家推断出大气在红外线中吸收的光量，这种类型的观测，使科学家能够寻找行星化学成分(如水)的迹象。

令哈勃团队惊讶的是，发现这两颗行星的光谱没有任何可以说明问题的化学特征。研究团队，将这一结果归因于大气中高处的粒子云。科罗拉多大学博尔德分校的杰西卡·利比-罗伯茨说：这完全出乎意料，我们原本计划观察大型吸水地貌，但它们就是没有。然而，与地球上的水云不同，这些行星上的云可能由盐晶体或光化学烟雾组成，就像在土星最大卫星土卫六上发现的那样。

这些云层为研究小组提供了洞察开普勒-51b和51d如何与太阳系外其他低质量、富含气体行星相提并论的洞察。当将“超级泡芙”行星的平坦光谱与其他行星光谱进行比较时：研究小组能够支持这样的假设，即云/霾的形成与行星温度有关，行星越冷，它变得越多云。研究小组还探索了这些行星实际上根本不是“超级泡芙”行星的可能性。

行星之间的引力对轨道周期造成了轻微的变化，从这些时间效应可以得出行星的质量。通过将行星经过其恒星前面的时间变化（称为凌日事件）与开普勒太空望远镜观测到的凌日时间变化相结合，研究小组更好地确定了行星质量和系统动力学，结果与之前对开普勒-51b的测量结果一致。然而，发现开普勒-51d质量比之前认为的略小（或者说行星比之前认为的更蓬松）。

最后，研究小组得出结论：这些行星低密度在一定程度上是该系统年龄较小的结果，与我们46亿岁的太阳相比，这个年龄只有5亿年。模型表明，这些行星是在恒星的“雪线”之外形成，“雪线”是冰物质可以存在的可能轨道区域。然后，行星向内迁移，就像一连串的火车车厢。现在，随着行星离恒星越来越近，它们的低密度大气应该会在接下来的数十亿年内蒸发到太空中。

使用行星演化模型，研究小组能够证明，开普勒-51b，离恒星最接近的行星，有一天(10亿年后)看起来会像海王星的一个更小、更热版本，海王星是一种在银河系相当常见的行星。然而，看起来距离恒星较远的开普勒-51d，将继续是一颗低密度的古怪行星，尽管它会收缩并失去一些少量的大气。这个系统为检验早期行星演化理论提供了一个独特的实验室。好消息是，在确定这两个行星的大气组成方面，并没有失去一切。

美国国家航空航天局(NASA)即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜对较长红外波长的光很敏感，或许能够透过云层进行观测。未来用这架新望远镜进行的观测，可能会提供关于这些“棉花糖”行星实际上是由什么组成的洞察，在那之前，这些行星仍然是一个甜蜜的谜。

博科园｜研究/来自：欧洲航天局/哈勃信息中心

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