天文学家找到一对罕见“超级泡芙”行星中国科学报

你听说过比棉花糖还轻的“超级泡芙”行星吗？这样的行星天文学家一下子发现了两颗。

近日发表于英国《皇家天文学会月刊》的研究分析了两颗有史以来最蓬松的巨行星——TOI-791 b和TOI-791 c。它们大小与木星相当，密度却极低，甚至比棉花糖还轻。它们罕见的轨道关系以及庞大轻盈的大气层，或许能为揭示银河系中一些最奇特行星的形成提供宝贵线索。

“已知的这类超蓬松行星屈指可数，而能在同一个系统中找到两颗更是罕见。极低的密度使其成为理解行星系统形成和演化过程的对象。”领导该研究的英国牛津大学的George Dransfield说。

这对罕见的行星围绕飞鱼座中一颗距离地球约1110光年的F7型矮星运行。其中，TOI-791 b的密度仅为0.038克每立方厘米、TOI-791 c为0.047克每立方厘米。相较之下，棉花糖典型密度约为0.05克每立方厘米，木星平均密度为1.33克每立方厘米，地球的密度则更高，平均为5.5克每立方厘米。

科学家认为，这两颗行星是由它们环绕的年轻恒星的同一气体尘埃盘形成的“同胞”。它们还以5:3平运动共振的特殊轨道关系联系在一起，即内侧行星每完成5圈公转，外侧行星恰好完成近3圈公转。在它们围绕恒星运行的过程中，彼此的引力反复拉扯，导致每颗行星的凌星时间发生微小但可测量的变化。目前已知只有另外4个行星系统包含多颗超蓬松行星。这使得TOI-791成为研究这些不寻常行星起源和演化的珍贵案例。

TOI-791 b和TOI-791 c的发现离不开美国国家航空航天局资助的“行星猎人TESS”公民科学项目志愿者的助力。他们在2019年和2023年分别标记了TOI-791 b和TOI-791 c可能是行星。随后，研究人员结合世界各地望远镜的观测数据确定了这两颗行星的大小和质量，进而计算出它们异常低的密度。

这项发现基于长达8年的观测，其中南极洲康科迪亚站的ASTEP望远镜的提供了很大支持。该望远镜由法国蔚蓝海岸大学/蔚蓝海岸天文台的研究人员和国际合作者共同运营。

南极漫长黑暗的冬天使天文学家能够完整观测这些行星漫长的凌星过程——每次超过11个小时。研究人员称，这是迄今地面完整观测到的最长连续行星凌星过程。

“超级泡芙”行星是如何形成的？对此，科学家们仍在分析。一种主流解释是，这些行星拥有以氢和氦为主的浓厚大气层，占据了其总质量的很大部分。研究人员认为，这些厚实的气体包层可能形成于行星距离恒星较远的原行星盘中的寒冷区域。在那里，气体可以围绕一个固态行星核迅速积聚。 研究人员计划开展后续观测，以更好了解这些不寻常行星的起源，并检验各种理论。“这些多行星系统非常复杂，行星间的引力相互作用会在非常漫长的时间尺度上演化，动辄数十年或更久。这一发现凸显了在天文学领域持续开展国际合作的重要性。”论文作者、蔚蓝海岸大学的Tristan Guillot说，“汇集南极洲望远镜以及各大洲天文台的观测数据，对于揭示这些非凡行星的真实面貌至关重要。”