天文学家在太阳系中发现了意想不到的全新环状天体系统

在观察其他恒星周围的行星的间隙，欧洲航天局的CHaracterising ExOPlanet卫星（Cheops）任务观察了我们太阳系中的一颗矮行星，并为发现它周围的密集物质环做出了决定性的贡献。这颗矮行星被称为Quaoar。在几乎是Quaoar半径7.5倍的距离上存在一个环，为天文学家们揭开了一个谜团：为什么这些物质没有凝聚成一个小卫星？

艺术家对矮行星Quaoar及其环的印象。Quaoar的卫星Weywot显示在左边。Quaoar的环是通过在2018年至2021年期间进行的一系列观测发现的。利用一系列地面望远镜和欧空局的天基望远镜Cheops，天文学家观察到Quaoar在一连串遥远的恒星面前穿过，在它经过时短暂地遮挡了它们的光线。资料来源：欧空局，CC BY-SA 3.0 IGO

这个环是通过在2018年至2021年期间进行的一系列观测发现的。天文学家利用一系列地面望远镜和天基望远镜Cheops，观察Quaoar在一连串遥远的恒星面前穿过，在它经过时短暂地遮挡了它们的光线。

这样的事件被称为掩星现象。观察被遮挡恒星的光线如何下降，可以提供关于被遮挡物体的大小和形状的信息，并且可以揭示被遮挡物体是否有大气层。在这种情况下，主掩星前后较小的光滴暴露了Quaoar周围轨道上存在的物质。

Quaoar是被称为跨海王星物体（TNOs）的小型遥远世界中的一个。目前已知的大约有3000个。顾名思义，TNOs被发现在太阳系的外围，超出了海王星的轨道。TNOs中最大的是冥王星和厄里斯。Quaoar的半径估计为555公里，在大小名单上排在第七位，由一颗名为韦沃特的小卫星绕行，半径大约为80公里。

研究这些矮行星是很困难的，因为它们的体积小，距离极远。Quaoar本身绕着太阳运行的距离几乎是太阳与地球距离的44倍。因此，借助掩星现象是特别有价值的工具。然而，直到最近，还很难准确预测它们发生的时间和地点。

为了使掩星发生，掩星物体（这里是TNO）、恒星和观测望远镜之间的排列必须非常精确。在过去，几乎不可能满足严格的精度要求以确保看到一个事件。然而，为了追求这一目标，欧洲研究理事会幸运星项目在索邦大学和巴黎天文台的Bruno Sicardy的协调下成立，以预测即将发生的天王星掩星事件，并协调全球专业和业余观测站对这些事件的观测。

欧空局的特征系外行星卫星Cheops的艺术家印象，它在地球上空的轨道上。在这个视图中，卫星的望远镜盖是打开的

最近，观察到的恒星掩星的数量有所增加。在很大程度上，这要归功于欧空局的星体测绘任务Gaia的数据贡献。该航天器在恒星位置上提供了如此惊人的准确性，使幸运星团队的预测变得更加确定。

参与幸运星项目的人之一是意大利卡塔尼亚INAF天体物理观测站的伊莎贝拉-帕加诺，她是Cheops委员会的成员。伊莎贝拉是由欧空局Cheops任务的项目科学家Kate Isaak联系的，她很好奇太空望远镜是否也能捕捉到掩星。

主要的问题是，由于地球大气层上部的阻力，卫星的轨迹可能会略有改变。这是由于不可预测的太阳活动会撞击我们的星球并使其大气层膨胀。事实上，该小组第一次试图观察与Cheops的掩星，其中涉及到冥王星，预测并不十分准确，无法观察到掩星。然而，在第二次尝试中，当他们观测Quaoar时，对准的情况更为有利。这样一来，他们首次从太空中发现了一个跨海王星天体的掩星现象。

艺术家对CHEOPS的印象。资料来源：© ESA / ATG medialab

伊莎贝拉说："Cheops数据的信噪比非常惊人。信噪比是衡量检测到的信号对系统中的随机噪声有多强。Cheops提供了一个很好的信噪比，因为望远镜没有通过地球低层大气的扭曲影响进行观察。"

这种清晰度被证明在识别Quaoar的环形系统方面是决定性的，因为它使研究人员能够排除光的下降是由地球大气中的虚假效应造成的可能性。通过结合使用地球上的望远镜进行二次探测，有可能确定它们是由环绕Quaoar的环形系统引起的。

巴西里约热内卢联邦大学的Bruno Morgado领导了这项分析。他将Cheops的数据与来自世界各地的大型专业天文台和业余公民科学家的数据结合起来，所有这些人在过去几年里都观察到Quaoar掩盖了各种恒星。"当我们把所有的东西放在一起时，我们看到了亮度的下降，这不是由Quaoar引起的，但这表明存在着围绕它的圆形轨道的物质。当我们看到这一点的时候，我们说，'好吧，我们看到的是围绕着Quaoar的一个环。'"

说到环状系统，巨行星土星占据了头把交椅。土星拥有一系列环绕行星赤道的尘埃和小卫星，毫无疑问是一个会让人令人印象深刻的观测景象，但环状系统的质量却相当小。如果收集起来，它的质量只会是土星卫星Mimas的三分之一到二分之一，或者是地球南极冰架质量的一半左右。

Quaoar的环比土星的环小得多，但也同样耐人寻味。它并不是已知存在于矮行星或小行星周围的唯一环状系统。另外两个已经通过地面观测被发现：围绕着女凯龙星和Haume。然而，使Quaoar环独特的是，它是在相对于Quaoar本身的地方发现的。

任何具有可观引力场的天体都会有一个极限，在这个极限内，接近的天体会被拉成碎片。这就是所谓的罗氏极限。密集的环状系统预计会存在于罗氏极限内，土星、女凯龙星和Haume就是这种情况。

意大利卡塔尼亚国家航空航天局天体物理观测站的乔瓦尼-布鲁诺说："因此，在Quaoar周围的这一发现的耐人寻味之处在于，物质的环比罗氏极限要远得多。"

这是一个谜，因为根据传统思维，超过罗氏极限的环将在短短几十年内凝聚成一个小卫星，这意味着密集环只在行星体的罗氏极限内生存的经典观念必须被彻底修正。

早期的结果表明，Quaoar的寒冷温度可能在防止冰冷的颗粒粘在一起方面发挥了作用，但是还需要进行更多的调查。Cheops的观测在确定Quaoar周围存在一个环方面发挥了关键作用，这是对高精度、高节奏光度测量的应用，超出了任务中更典型的系外行星科学。

当理论家们开始研究Quaoar环如何生存时，"幸运星"项目将继续观察Quaoar和其他TNOs，因为它们遮蔽了遥远的恒星，以测量它们的物理特性，并观察还有多少其他的环系统。

而Cheops将回到它最初的任务，研究附近的系外行星。