韋伯望遠鏡發(fā)現(xiàn)棉花糖行星，霧霾達1地球半徑

在距離地球2600多光年的天鵝座方位，有一顆非常非常奇特的行星，它的密度很低，就像一個巨大的宇宙棉花糖：開普勒-51d。

它的半徑約為地球的9.32倍，這和土星大小相當(dāng)，體積能裝下約810個地球，質(zhì)量卻只有地球的5.6倍，算下來密度僅0.038±0.009克每立方厘米，密度還不到普通棉花糖的三分之一，是人類目前已知密度最低的系外行星之一。

最近，賓夕法尼亞州立大學(xué)牽頭的國際團隊，利用詹姆斯韋伯太空望遠鏡給這顆棉花糖行星做了一次大氣CT掃描，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)：它的表面有一層厚到離譜的霧霾，這層霧霾就連韋伯望遠鏡的紅外探測都無法穿透。

木星、土星的低密度，是幾十倍地球質(zhì)量的重元素核心的強引力，吸引住了海量的氫氦氣體，還有一類熱木行星，則是離恒星太近，大氣被恒星熱量烤得膨脹。

但開普勒-51d的低密度成因卻完全不同，它的平均溫度僅350K（約77℃），根本沒有被恒星加熱大幅膨脹的條件，同時計算也排除了潮汐加熱的可能。

更離譜的是，按照經(jīng)典核心吸積理論，要積攢這么厚的氫氦大氣層，至少需要8-10倍地球質(zhì)量的致密核心，可它的總質(zhì)量才5.6倍地球，行星結(jié)構(gòu)模型顯示其固態(tài)核心僅約3.9倍地球質(zhì)量，氫氦包層占比超過了行星總質(zhì)量的30%，這就像用一個小鉛球拽住了一整個體育場大的氣球，完全超出了現(xiàn)有理論的解釋范圍。

而它的主恒星開普勒-51身邊，并不止這一顆棉花糖行星，而是整整三顆！

另外兩顆是開普勒-51b、51c，同樣是個頭接近土星、質(zhì)量不到地球10倍的超級蓬松行星。

所以整個系統(tǒng)就像一個專屬的蓬松行星加工廠，開普勒-51d是這其中最冷、最蓬松、最極端的一個。

要搞懂這些行星到底是怎么來的，最直接的辦法就是分析它們的大氣成分。

而分析遙遠的行星大氣則是通過凌日透射光譜。

當(dāng)行星從恒星前方經(jīng)過，擋住一部分星光時，恒星的光會先穿過行星的大氣層，再抵達望遠鏡。

行星大氣里的不同分子，就會吸收特定波長的光，從而留下暗色的吸收線，比如水會吸收1.4微米的紅外光，甲烷會吸收3.3微米的光，通過這些暗色的吸收線，我們就可推測行星的大氣成分。

早在2020年的時候，研究團隊就用哈勃太空望遠鏡觀測過開普勒-51d，結(jié)果只得到了一條平得像直線的光譜，完全看不到任何分子特征。

當(dāng)時團隊猜測，要么是大氣里重元素含量太高（超過太陽的300倍），大氣標(biāo)高太小把分子特征給抹平了，要么就是高層大氣有一層厚厚的霧霾，把下方的大氣全擋住了。

基于這顆行星的極低密度，團隊更傾向于霧霾假說。

而這次團隊用韋伯的近紅外光譜儀，把觀測范圍從哈勃的1.1-1.7微米，一下子拓寬到了0.6-5.3微米，相當(dāng)于把原來的手電筒換成了全景相機。

本以為這樣的升級就能看清霧霾下方的細節(jié)，但結(jié)果卻看到了更反常的現(xiàn)象：光譜不是平的，而是一條明顯向下的斜線，波長越紅，行星的凌日深度越淺，換句話說，這顆行星在紅光里看起來更小，在藍光里看起來更大，前后測得的行星半徑差了約0.75個地球半徑。

這個反常的斜線剛好坐實了超級霧霾的存在。

團隊用ExoTR和PLATON兩套獨立的大氣檢索模型，結(jié)合微物理正向模擬，最終還原了真相。

開普勒-51d的高層大氣里裹著一層橫跨2個數(shù)量級氣壓的超級霧霾，從1微巴一直延伸到100微巴的高度。

地球海平面的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓約為100萬微巴，這層霧霾所在的氣壓環(huán)境相當(dāng)于地球平流層頂部到中間層的稀薄程度。

霧霾里的顆粒是亞微米級的，這和土衛(wèi)六泰坦上的霧霾顆粒尺寸相近，但它的規(guī)模大到離譜，這層霧霾對應(yīng)的大氣厚度接近地球半徑，是人類目前在系外行星上發(fā)現(xiàn)的最厚的霧霾層之一，也讓開普勒-51d成為目前已知最冷的、以霧霾為主導(dǎo)的系外行星大氣。

正是這些微小顆粒對短波藍光的散射作用更強，讓行星在藍光里看起來更大，而波長更長的紅光能穿透得更深，能看到更深層、半徑更小的行星本體，最終形成了我們觀測到的斜線光譜。

團隊也逐一排查了其他可能性。

比如有人猜測，行星可能帶著一個傾斜的環(huán)，讓我們誤以為它的個頭很大。

但厚的不透明環(huán)會產(chǎn)生平坦的光譜，這和觀測到的斜線完全不符，就算是薄的、帶亞微米級顆粒的環(huán)，雖然能擬合出類似的光譜斜率，但計算顯示這種環(huán)的壽命僅約10萬年，而這個系統(tǒng)已經(jīng)有5億年歷史，除非它剛好在最近發(fā)生了一次極端碰撞撞出了環(huán)，但這種概率極低。

同時，團隊也排除了恒星活動的干擾：雖然這顆年輕恒星存在星斑，但這些星斑比太陽黑子的本影區(qū)熱1000K以上，無論哪種星斑溫度和覆蓋比例，都無法解釋光譜從0.6到5.3微米的連續(xù)斜率，恒星活動對光譜的影響可以忽略不計。

沒有清晰的分子吸收特征，我們就沒法精準(zhǔn)測量大氣的金屬豐度，沒法確定碳氧比，也就無從反推這顆行星到底是在哪里形成的、怎么在小質(zhì)量核心的條件下攢住這么厚的氫氦大氣層。

更麻煩的是，此前的研究還發(fā)現(xiàn)，這顆行星的自轉(zhuǎn)速度慢得離譜，自轉(zhuǎn)周期超過33小時，按常理，它快速吸積了這么多氫氦氣體，應(yīng)該會獲得大量角動量，自轉(zhuǎn)速度接近解體速度才對，可它卻轉(zhuǎn)得這么慢，而它和恒星的距離又遠到潮汐制動幾乎不起作用。

所以到底是什么機制給它踩了剎車？

這些核心問題，現(xiàn)在都被這層霧霾嚴嚴實實地蓋住了。

目前，團隊正在等待韋伯對開普勒-51系統(tǒng)另外兩顆蓬松行星的觀測結(jié)果，看看它們是不是也裹著同樣厚的霧霾。

如果整個系統(tǒng)的行星都有類似特征，就能說明這種超級霧霾是這類蓬松行星的標(biāo)配，也能給我們的行星形成理論提供關(guān)鍵線索。

可隨著熱木星、超級地球、超級蓬松行星這些宇宙怪胎一個個的發(fā)現(xiàn)，我們才意識到，我們對行星形成的了解可能連冰山一角都不到。