WASP-193b，这颗行星的密度比肩棉花糖

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https://sorae.info/astronomy/20240612-wasp193b.html

地球和火星等主要由岩石和金属组成，称为岩石行星。而木星和土星等以氢和氦为主要成分，称为“气态巨行星”，密度较岩石行星低。在像“热木星”那样从恒星那里接受到极端热量的环境中，大气会因热膨胀而使密度进一步降低。

列日大学Khalid Barkaoui等人的研究小组从系外行星观测项目“超级WASP(超广角寻找行星Super Wide Angle Search for Planets）”(※1)的观测数据中发现了新的行星“WASP-193b”。结合其他观测数据进行计算后发现，WASP-193b的平均密度仅为每立方厘米0.059克，与棉花糖差不多。这是目前已知密度第二低的行星。此外，传统的行星模型无法解释如此极端低密度行星的存在，因此这是一个值得期待的大谜团。

【▲图1：如果将WASP-193b放在天平上，它几乎相当于同样大小的棉花糖。（Credit：Generated OpenAI’s DALL-E/Created by David Berardo）】

天体的平均密度变化很大，主要取决于它们是由什么物质组成的。以太阳系行星为例，平均密度最高的是地球，每立方厘米5.52克，平均密度最低的是土星，每立方厘米0.69克。这是因为地球以岩石和金属等固体物质为主要成分，而土星以即使在低温下也能保持气态的氢和氦等物质为主要成分。土星是太阳系中唯一平均密度低于水的行星，因此经常被比喻为“能漂浮在水面上的行星”。

如果我们把目光转向围绕太阳以外的天体公转的系外行星，我们经常会发现一些行星的推定平均密度甚至比土星还要低。大多数这样的例子都是被归类为"热木星"的行星。按物质分类，热木星和木星、土星一样，以氢和氦为主体。然而，与木星和土星远离太阳不同，热木星的公转轨道非常靠近恒星。由于从恒星接收到的辐射能量极强，热木星的大气会被加热到数百摄氏度以上，然后膨胀。主体物质的密度本来就很低，这种热膨胀使得热木星的密度进一步降低。

然而根据预测，即使是高温的热木星，其热膨胀也是有限的。因为当大气被加热时，构成大气的分子的运动速度会增加，从而摆脱行星的引力逃逸到宇宙空间。维持膨胀的大气表示构成大气的分子被行星的引力所束缚，而过于极端的加热会超过维持膨胀的极限。

另外，在发生极端热膨胀的环境中，由于行星大气在不到数亿年的短时间内被热量全部蒸发，最终只剩下以岩石为主要成分的中心核(※2)，这种情况可能也存在吧。或者，如果与恒星的距离过于接近，行星可能会因潮汐力而导致公转轨道收缩，最终落入恒星而消失。因此，热木星的平均密度很少低于每立方厘米0.2 克，发现这样的行星甚至可以单独成为新闻(※3)。

Barkaoui等人的研究小组报告发现了密度极低的热木星“WASP-193b”。WASP-193b以约6.25天的周期围绕距离地球约1200光年的恒星WASP-193公转，是通过太阳系外行星观测项目“超级WASP”对过去观测数据的分析发现的。

除了超级WASP之外，乌凯姆登天文台的TRAPPIST-South望远镜（摩洛哥）、帕拉纳尔天文台的SPECULOOS-South望远镜（智利）、拉西亚天文台的3.6米望远镜（智利）所设置的光谱仪"HARPS"、日内瓦天文台的莱昂哈德·欧拉望远镜（瑞士）所设置的光谱仪"CORALIE"以及美国国家航天局的系外行星探测卫星"TESS"也对WASP-193b进行了观测，研究团队以各个观测数据为基础，明确了WASP-193b的物理性质的详细情况。

【▲图2：各系外行星平均密度的比较。WASP-193b被测量为平均密度第二低的行星，仅次于开普勒51d。（Credit：Khalid Barkaoui等人）】

WASP-193b的直径是木星的1.464±0.058倍，但质量只有木星的13.9±2.9%。因此，平均密度极小，为每立方厘米0.059±0.014克。考虑到WASP-193b的密度与每立方厘米约0.05克的棉花糖差不多，不难想象出WASP-193b是一颗密度有多低的行星。这个平均密度是详细观测到的行星中第二低的值(※4)。

当然，WASP-193b并不是用棉花糖做的。除了以氢和氦构成其主体外，恒星的辐射将其加热到近1000℃的高温(1254±31K)而产生的热膨胀也被认为是低密度的原因。但是，用现有的行星模型计算的WASP-193b的直径与木星相比最小为0.68倍，最大为1.2倍(※5)，与实际观测到的约1.5倍有很大差异。木星的1.2倍的上限值是以“行星中心没有以岩石为主要成分的高密度核”这一违反行星形成论的假设为基础的计算值，现实中的值大概率要比1.2倍更小。

Barkaoui等人研究了多个假设（*6），认为“欧姆耗散”机制最能解释WASP-193b的直径。在像WASP-193b这样经历极端加热的行星上，行星表面和内部会发生非常剧烈的物质循环。此外，来自恒星的辐射会电离大气中的微量金属原子（*7）。在行星内外循环的离子是带电粒子流，表现得像电流一样，通过电磁感应产生加热。这么说的话，你可以把WASP-193b想象成整个星球都是用电磁炉的原理加热的。

然而，Barkaoui等人还没有确定WASP-193b的低密度是否可以用欧姆耗散来解释，尽管他们认为这是“最有希望的机制”。因为解释WASP-193b低密度的假说包含了多个与以往行星模型大幅偏离的地方，所以现在还不能强烈主张"这是WASP-193b的正确解释"。

因此，Barkaoui等人对韦布空间望远镜的追加观测寄予厚望。因为在密度非常低的WASP-193b中，恒星发出的光穿过行星大气后，能够到达行星的相当深处。以韦布望远镜的性能，可以对大气中含有微量元素和尘埃等与行星加热相关的各种物质的量进行相当详细地分析。如果能详细观测到WASP-193b的内部结构，或许也能加深对WASP-193b以外的低密度行星的了解，从而修正行星模型。

责任编辑：甘林

系外行星

图源：Martin Vargic, Halcyon Maps