對圍繞其他恒星運行的行星進行觀測的間歇，歐洲航天局（ESA）的係外行星特性探測衛星（CHaracterising ExOPlanet Satellite，Cheops）任務為(wei) 一個(ge) 新發現做出了決(jue) 定性貢獻：在太陽係中一顆矮行星的周圍，出現了一個(ge) 意想不到的致密物質環。

這顆矮行星名為(wei) 誇奧爾（Quaoar，又名創神星），新發現的環所在的距離幾乎是誇奧爾半徑的7.5倍，這給天文學家帶來了一個(ge) 新的謎團：為(wei) 什麽(me) 這些物質沒有聚結成一個(ge) 小衛星？

誇奧爾和它的環係統示意圖圖片來源：ESA, CC BY-SA 3.0 IGO

如何觀察太陽係中的遙遠天體(ti)

通過2018年至2021年間進行的一係列觀測，天文學家發現了這個(ge) 意料之外的環係統。借助多台地麵望遠鏡和天基望遠鏡係外行星特性探測衛星，天文學家觀察到誇奧爾在一連串遙遠的恒星前麵穿過時，對恒星的光線造成了短暫的遮擋。

這種天文事件被稱為(wei) 掩星（occultation）。觀察被遮擋的恒星發出的光是如何減弱的，可以提供遮擋天體(ti) 大小和形狀的相關(guan) 信息，還可以揭示它是否擁有大氣層。出乎意料的是，在掩星之前和之後還出現了兩(liang) 次光度的下降，這表明誇奧爾周圍應該存在一個(ge) 環係統。但這些環相當小，也非常微弱。

誇奧爾是一顆海王星外天體(ti) （trans-Neptunian objects，TNO）。海王星外天體(ti) 又稱海外天體(ti) ，是一係列遙遠的小型天體(ti) ，我們(men) 已知的海外天體(ti) 大約有3000顆。顧名思義(yi) ，海外天體(ti) 存在於(yu) 太陽係外圍，軌道平均距離比海王星（Neptune）的半長軸（30.1AU）還要長，冥王星（Pluto）和鬩神星（Eris）是已知的最大的海外天體(ti) 。誇奧爾的預估半徑為(wei) 555千米，是已知的體(ti) 積第七大的海外天體(ti) ，擁有一顆名為(wei) 創衛一（Weywot）的小衛星，半徑約為(wei) 80千米。

研究這些矮行星並不容易，因為(wei) 它們(men) 體(ti) 積較小而距離極遠。誇奧爾本身圍繞太陽公轉的距離幾乎是日地距離的44倍。因此，掩星事件是特別有價(jia) 值的研究工具。然而直到最近，天文學家仍然很難準確預測它們(men) 會(hui) 在何時何地發生。

要觀測到掩星，掩星物體(ti) （這裏是海外天體(ti) ）、恒星和觀測望遠鏡之間的對準必須非常精確。在過去，這種幾乎嚴(yan) 格的準確性要求幾乎不可能被滿足，我們(men) 也無法確保能觀測到掩星事件。為(wei) 了實現這一目標，由布魯諾·西卡爾迪（Bruno Sicardy）、法國索邦大學（Sorbonne University）和巴黎文理研究大學（PSL）空間科學與(yu) 天體(ti) 物理儀(yi) 器實驗室（LESIA）的巴黎天文台（Paris Observatory）協調創建了歐洲研究委員會(hui) （European Research Council）幸運星項目（Lucky Star project），以預測即將發生的海外天體(ti) 掩星事件，並協調全球的專(zhuan) 業(ye) 和業(ye) 餘(yu) 天文台對這些事件進行觀測。

精確對準

最近所觀測到的恒星掩星數量有所增加，這在很大程度上要歸功於(yu) ESA星圖繪製任務蓋亞(ya) （Gaia）的數據貢獻。蓋亞(ya) 提供了極為(wei) 精確的恒星位置數據，這讓幸運星團隊所做的預測變得更加確定。

ESA係外行星特性探測衛星任務的項目科學家凱特·伊薩克（Kate Isaak）很好奇空間望遠鏡是否也能捕觀測到掩星事件，她聯係了係外行星特性探測衛星任務委員會(hui) 的成員、意大利國家天體(ti) 物理研究所（INAF）卡塔尼亞(ya) 天體(ti) 物理天文台（Astrophysical Observatory of Catania）的伊莎貝拉·帕加諾（Isabella Pagano），伊莎貝拉也是幸運星項目的成員之一。

“對於(yu) 利用係外行星特性探測衛星來做到這一點，我其實有點懷疑。”伊莎貝拉承認，“但我們(men) 探索了可行性。”

主要問題是由於(yu) 地球大氣層上部的阻力，衛星的軌道可能會(hui) 略有改變。這是由於(yu) 不可預測的太陽活動會(hui) 襲擊地球，造成地球大氣的膨脹。

事實上，研究團隊第一次嚐試利用係外行星特性探測衛星觀察涉及冥王星的掩星事件時，預測準確性不夠，並沒有觀測到掩星。

而在第二次對準嚐試後，他們(men) 觀察到了誇奧爾，並在此過程中首次探測到了來自太空的海外天體(ti) 對恒星的掩星。

看到那個(ge) 環

係外行星特性探測衛星示意圖圖片來源：ESA / ATG medialab

“係外行星特性探測衛星數據的信噪比非常驚人。”伊莎貝拉說。信噪比是檢測到的信號相對於(yu) 係統中的隨機噪聲有多強的一種量度。係外行星特性探測衛星給出了一個(ge) 很好的信噪比，因為(wei) 它的觀測沒有受到地球低層大氣的扭曲。

對於(yu) 識別誇奧爾的環係統，這種較高的信噪比是決(jue) 定性的，它讓研究人員能夠排除掉光度下降是由地球大氣幹擾造成的可能性。通過結合使用地麵望遠鏡拍攝的幾次二度檢測，可以確定它們(men) 是由誇奧爾周圍的環形係統引起的。

巴西裏約熱內(nei) 盧聯邦大學（Universidade Federal do Rio de Janeiro）的布魯諾·莫爾加多（Bruno Morgado）領導了這項分析，他將係外行星特性探測衛星的數據與(yu) 來自世界各地大型專(zhuan) 業(ye) 天文台和業(ye) 餘(yu) 公民科學家的數據結合起來，他們(men) 在過去幾年中都觀測過誇奧爾掩星事件中的各種恒星。“當我們(men) 把所有數據結合起來看，我們(men) 看到光度下降不是由誇奧爾本身引起的，而是指向了它周圍的圓形軌道上存在一些物質。我們(men) 一看到就說，‘好吧，我們(men) 在誇奧爾周圍看到了一個(ge) 環。’”相關(guan) 研究已發表於(yu) 《自然》（Nature）雜誌。

當談到環係統時，最著名的當屬土星環。土星被稱為(wei) 有環行星（ringed planet），擁有環繞行星赤道的一係列塵埃和小衛星。土星環在視覺上極盡壯觀，但實際上這是一個(ge) 質量非常小的環係統，整體(ti) 隻有土星衛星土衛一（Mimas）質量的三分之一到二分之一，或者地球南極冰架質量的一半左右。

誇奧爾的環比土星的環小得多，但同樣引人入勝。它並非已知的存在於(yu) 矮行星或小行星周圍的唯一環係統，天文學家通過地麵觀測曾發現了另外兩(liang) 個(ge) ，分別圍繞著女凱龍星（Chariklo）和妊神星（Haumea）。然而，誇奧爾環的獨特之處在於(yu) 它相對於(yu) 誇奧爾本身的位置。

超越洛希極限

任何具有可觀引力場的天體(ti) 都會(hui) 有一個(ge) 極限，在這個(ge) 極限內(nei) ，天體(ti) 會(hui) 被撕成碎片，這一極限被稱為(wei) 洛希極限（Roche limit）。致密的環係統理論上將存在於(yu) 洛希極限內(nei) ，土星、女凱龍星和妊神星就是這種情況。

“所以，關(guan) 於(yu) 誇奧爾周圍的這一發現如此有趣的地方就在於(yu) ，這個(ge) 環的位置比洛希極限更遠。”意大利國家天體(ti) 物理研究所卡塔尼亞(ya) 天體(ti) 物理天文台的喬(qiao) 瓦尼·布魯諾（Giovanni Bruno）說。

這是一個(ge) 謎，因為(wei) 按照傳(chuan) 統理論，超過洛希極限的環將在短短幾十年內(nei) 聚合成一個(ge) 小衛星。“根據我們(men) 的觀察，必須徹底修正這一經典理論，即致密的環係統隻能存在於(yu) 行星體(ti) 的洛希極限內(nei) 。”喬(qiao) 瓦尼說。

早期結果表明，誇奧爾極低的溫度可能在防止冰顆粒粘在一起上發揮了作用，但還須要進行更多調查。

“係外行星特性探測衛星的觀測在確定誇奧爾周圍存在環係統方麵發揮了關(guan) 鍵作用，在高精度光度學的應用上，超越了任務中更典型的係外行星科學。”凱特說。

在理論家開始研究誇奧爾環如何存在的同時，幸運之星項目將繼續觀察誇奧爾和其他的海外天體(ti) ，借助它們(men) 遮擋遙遠恒星的光來測量它們(men) 的物理特性，看看有多少其他海外天體(ti) 也擁有環係統。

係外行星特性探測衛星將回歸它最初的任務，繼續研究附近的係外行星。

關(guan) 於(yu) 係外行星特性探測衛星

係外行星特性探測衛星是ESA與(yu) 瑞士伯爾尼大學（University of Bern）領導的專(zhuan) 門財團合作開發的一項任務，奧地利、比利時、法國、德國、匈牙利、意大利、葡萄牙、西班牙、瑞典和英國也做出了重要貢獻。

ESA是係外行星特性探測衛星任務的設計方，負責衛星的采購和測試、發射和早期運行、在軌調試，以及世界各地的科學家可以申請使用係外行星特性探測衛星進行觀測的客座觀察員計劃（Guest Observers’ Programme）。由瑞士牽頭的11個(ge) ESA成員國組成的財團為(wei) 此次任務提供了基本資助。航天器設計和建造的主要承包商是位於(yu) 西班牙馬德裏的空中客車集團防務與(yu) 航天公司（Airbus Defence and Space）。

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