對圍繞其他恆星運行的行星進行觀測的間歇，歐洲航天局（ESA）的系外行星特性探測衛星（CHaracterising ExOPlanet Satellite，Cheops）任務為一個新發現做出了決定性貢獻：在太陽系中一顆矮行星的周圍，出現了一個意想不到的緻密物質環。
這顆矮行星名為夸奧爾（Quaoar，又名創神星），新發現的環所在的距離幾乎是夸奧爾半徑的7.5倍，這給天文學家帶來了一個新的謎團：為什麼這些物質沒有聚結成一個小衛星？
夸奧爾和它的環系統示意圖
圖片來源：ESA, CC BY-SA 3.0 IGO
如何觀察太陽系中的遙遠天體
通過2018年至2021年間進行的一系列觀測，天文學家發現了這個意料之外的環系統。藉助多台地面望遠鏡和天基望遠鏡系外行星特性探測衛星，天文學家觀察到夸奧爾在一連串遙遠的恆星前面穿過時，對恆星的光線造成了短暫的遮擋。
這種天文事件被稱為掩星（occultation）。觀察被遮擋的恆星發出的光是如何減弱的，可以提供遮擋天體大小和形狀的相關信息，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次光度的下降，這表明夸奧爾周圍應該存在一個環系統。但這些環相當小，也非常微弱。
夸奧爾是一顆海王星外天體（trans-Neptunian objects，TNO）。海王星外天體又稱海外天體，是一系列遙遠的小型天體，我們已知的海外天體大約有3000顆。顧名思義，海外天體存在於太陽系外圍，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。夸奧爾的預估半徑為555千米，是已知的體積第七大的海外天體，擁有一顆名為創衛一（Weywot）的小衛星，半徑約為80千米。
研究這些矮行星並不容易，因為它們體積較小而距離極遠。夸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會在何時何地發生。
要觀測到掩星，掩星物體（這裡是海外天體）、恆星和觀測望遠鏡之間的對準必須非常精確。在過去，這種幾乎嚴格的準確性要求幾乎不可能被滿足，我們也無法確保能觀測到掩星事件。為了實現這一目標，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）空間科學與天體物理儀器實驗室（LESIA）的巴黎天文台（Paris Observatory）協調創建了歐洲研究委員會（European Research Council）幸運星項目（Lucky Star project），以預測即將發生的海外天體掩星事件，並協調全球的專業和業餘天文台對這些事件進行觀測。
精確對準
最近所觀測到的恆星掩星數量有所增加，這在很大程度上要歸功於ESA星圖繪製任務蓋亞（Gaia）的數據貢獻。蓋亞提供了極為精確的恆星位置數據，這讓幸運星團隊所做的預測變得更加確定。
ESA系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，她聯繫了系外行星特性探測衛星任務委員會的成員、義大利國家天體物理研究所（INAF）卡塔尼亞天體物理天文台（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。
「對於利用系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，「但我們探索了可行性。」
主要問題是由於地球大氣層上部的阻力，衛星的軌道可能會略有改變。這是由於不可預測的太陽活動會襲擊地球，造成地球大氣的膨脹。
事實上，研究團隊第一次嘗試利用系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。
而在第二次對準嘗試後，他們觀察到了夸奧爾，並在此過程中首次探測到了來自太空的海外天體對恆星的掩星。
看到那個環
系外行星特性探測衛星示意圖
圖片來源：ESA / ATG medialab
「系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系統中的隨機噪聲有多強的一種量度。系外行星特性探測衛星給出了一個很好的信噪比，因為它的觀測沒有受到地球低層大氣的扭曲。
對於識別夸奧爾的環系統，這種較高的信噪比是決定性的，它讓研究人員能夠排除掉光度下降是由地球大氣干擾造成的可能性。通過結合使用地面望遠鏡拍攝的幾次二度檢測，可以確定它們是由夸奧爾周圍的環形系統引起的。
巴西里約熱內盧聯邦大學（Universidade Federal do Rio de Janeiro）的布魯諾·莫爾加多（Bruno Morgado）領導了這項分析，他將系外行星特性探測衛星的數據與來自世界各地大型專業天文台和業餘公民科學家的數據結合起來，他們在過去幾年中都觀測過夸奧爾掩星事件中的各種恆星。「當我們把所有數據結合起來看，我們看到光度下降不是由夸奧爾本身引起的，而是指向了它周圍的圓形軌道上存在一些物質。我們一看到就說，『好吧，我們在夸奧爾周圍看到了一個環。』」相關研究已發表於《自然》（Nature）雜誌。
當談到環系統時，最著名的當屬土星環。土星被稱為有環行星（ringed planet），擁有環繞行星赤道的一系列塵埃和小衛星。土星環在視覺上極盡壯觀，但實際上這是一個質量非常小的環系統，整體只有土星衛星土衛一（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。
夸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矮行星或小行星周圍的唯一環系統，天文學家通過地面觀測曾發現了另外兩個，分別圍繞著女凱龍星（Chariklo）和妊神星（Haumea）。然而，夸奧爾環的獨特之處在於它相對於夸奧爾本身的位置。
超越洛希極限
任何具有可觀引力場的天體都會有一個極限，在這個極限內，天體會被撕成碎片，這一極限被稱為洛希極限（Roche limit）。緻密的環系統理論上將存在於洛希極限內，土星、女凱龍星和妊神星就是這種情況。
「所以，關於夸奧爾周圍的這一發現如此有趣的地方就在於，這個環的位置比洛希極限更遠。」義大利國家天體物理研究所卡塔尼亞天體物理天文台的喬瓦尼·布魯諾（Giovanni Bruno）說。
這是一個謎，因為按照傳統理論，超過洛希極限的環將在短短几十年內聚合成一個小衛星。「根據我們的觀察，必須徹底修正這一經典理論，即緻密的環系統只能存在於行星體的洛希極限內。」喬瓦尼說。
早期結果表明，夸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。
「系外行星特性探測衛星的觀測在確定夸奧爾周圍存在環系統方面發揮了關鍵作用，在高精度光度學的應用上，超越了任務中更典型的系外行星科學。」凱特說。
在理論家開始研究夸奧爾環如何存在的同時，幸運之星項目將繼續觀察夸奧爾和其他的海外天體，藉助它們遮擋遙遠恆星的光來測量它們的物理特性，看看有多少其他海外天體也擁有環系統。
系外行星特性探測衛星將回歸它最初的任務，繼續研究附近的系外行星。
關於系外行星特性探測衛星
系外行星特性探測衛星是ESA與瑞士伯爾尼大學（University of Bern）領導的專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、義大利、葡萄牙、西班牙、瑞典和英國也做出了重要貢獻。
ESA是系外行星特性探測衛星任務的設計方，負責衛星的採購和測試、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系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ESA成員國組成的財團為此次任務提供了基本資助。太空飛行器設計和建造的主要承包商是位於西班牙馬德里的空中巴士集團防務與航天公司（Airbus Defence and Space）。
更多信息請訪問：https://www.esa.int/Cheops
參考來源：
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Cheops/ESA_s_Cheops_finds_an_unexpected_ring_around_dwarf_planet_Quaoar