韦伯望远镜发现棉花糖行星，雾霾达1地球半径

在距离地球2600多光年的天鹅座方位，有一颗非常非常奇特的行星，它的密度很低，就像一个巨大的宇宙棉花糖：开普勒-51d。

它的半径约为地球的9.32倍，这和土星大小相当，体积能装下约810个地球，质量却只有地球的5.6倍，算下来密度仅0.038±0.009克每立方厘米，密度还不到普通棉花糖的三分之一，是人类目前已知密度最低的系外行星之一。

最近，宾夕法尼亚州立大学牵头的国际团队，利用詹姆斯韦伯太空望远镜给这颗棉花糖行星做了一次大气CT扫描，结果却发现：它的表面有一层厚到离谱的雾霾，这层雾霾就连韦伯望远镜的红外探测都无法穿透。

木星、土星的低密度，是几十倍地球质量的重元素核心的强引力，吸引住了海量的氢氦气体，还有一类热木行星，则是离恒星太近，大气被恒星热量烤得膨胀。

但开普勒-51d的低密度成因却完全不同，它的平均温度仅350K（约77℃），根本没有被恒星加热大幅膨胀的条件，同时计算也排除了潮汐加热的可能。

更离谱的是，按照经典核心吸积理论，要积攒这么厚的氢氦大气层，至少需要8-10倍地球质量的致密核心，可它的总质量才5.6倍地球，行星结构模型显示其固态核心仅约3.9倍地球质量，氢氦包层占比超过了行星总质量的30%，这就像用一个小铅球拽住了一整个体育场大的气球，完全超出了现有理论的解释范围。

而它的主恒星开普勒-51身边，并不止这一颗棉花糖行星，而是整整三颗！

另外两颗是开普勒-51b、51c，同样是个头接近土星、质量不到地球10倍的超级蓬松行星。

所以整个系统就像一个专属的蓬松行星加工厂，开普勒-51d是这其中最冷、最蓬松、最极端的一个。

要搞懂这些行星到底是怎么来的，最直接的办法就是分析它们的大气成分。

而分析遥远的行星大气则是通过凌日透射光谱。

当行星从恒星前方经过，挡住一部分星光时，恒星的光会先穿过行星的大气层，再抵达望远镜。

行星大气里的不同分子，就会吸收特定波长的光，从而留下暗色的吸收线，比如水会吸收1.4微米的红外光，甲烷会吸收3.3微米的光，通过这些暗色的吸收线，我们就可推测行星的大气成分。

早在2020年的时候，研究团队就用哈勃太空望远镜观测过开普勒-51d，结果只得到了一条平得像直线的光谱，完全看不到任何分子特征。

当时团队猜测，要么是大气里重元素含量太高（超过太阳的300倍），大气标高太小把分子特征给抹平了，要么就是高层大气有一层厚厚的雾霾，把下方的大气全挡住了。

基于这颗行星的极低密度，团队更倾向于雾霾假说。

而这次团队用韦伯的近红外光谱仪，把观测范围从哈勃的1.1-1.7微米，一下子拓宽到了0.6-5.3微米，相当于把原来的手电筒换成了全景相机。

本以为这样的升级就能看清雾霾下方的细节，但结果却看到了更反常的现象：光谱不是平的，而是一条明显向下的斜线，波长越红，行星的凌日深度越浅，换句话说，这颗行星在红光里看起来更小，在蓝光里看起来更大，前后测得的行星半径差了约0.75个地球半径。

这个反常的斜线刚好坐实了超级雾霾的存在。

团队用ExoTR和PLATON两套独立的大气检索模型，结合微物理正向模拟，最终还原了真相。

开普勒-51d的高层大气里裹着一层横跨2个数量级气压的超级雾霾，从1微巴一直延伸到100微巴的高度。

地球海平面的标准大气压约为100万微巴，这层雾霾所在的气压环境相当于地球平流层顶部到中间层的稀薄程度。

雾霾里的颗粒是亚微米级的，这和土卫六泰坦上的雾霾颗粒尺寸相近，但它的规模大到离谱，这层雾霾对应的大气厚度接近地球半径，是人类目前在系外行星上发现的最厚的雾霾层之一，也让开普勒-51d成为目前已知最冷的、以雾霾为主导的系外行星大气。

正是这些微小颗粒对短波蓝光的散射作用更强，让行星在蓝光里看起来更大，而波长更长的红光能穿透得更深，能看到更深层、半径更小的行星本体，最终形成了我们观测到的斜线光谱。

团队也逐一排查了其他可能性。

比如有人猜测，行星可能带着一个倾斜的环，让我们误以为它的个头很大。

但厚的不透明环会产生平坦的光谱，这和观测到的斜线完全不符，就算是薄的、带亚微米级颗粒的环，虽然能拟合出类似的光谱斜率，但计算显示这种环的寿命仅约10万年，而这个系统已经有5亿年历史，除非它刚好在最近发生了一次极端碰撞撞出了环，但这种概率极低。

同时，团队也排除了恒星活动的干扰：虽然这颗年轻恒星存在星斑，但这些星斑比太阳黑子的本影区热1000K以上，无论哪种星斑温度和覆盖比例，都无法解释光谱从0.6到5.3微米的连续斜率，恒星活动对光谱的影响可以忽略不计。

没有清晰的分子吸收特征，我们就没法精准测量大气的金属丰度，没法确定碳氧比，也就无从反推这颗行星到底是在哪里形成的、怎么在小质量核心的条件下攒住这么厚的氢氦大气层。

更麻烦的是，此前的研究还发现，这颗行星的自转速度慢得离谱，自转周期超过33小时，按常理，它快速吸积了这么多氢氦气体，应该会获得大量角动量，自转速度接近解体速度才对，可它却转得这么慢，而它和恒星的距离又远到潮汐制动几乎不起作用。

所以到底是什么机制给它踩了刹车？

这些核心问题，现在都被这层雾霾严严实实地盖住了。

目前，团队正在等待韦伯对开普勒-51系统另外两颗蓬松行星的观测结果，看看它们是不是也裹着同样厚的雾霾。

如果整个系统的行星都有类似特征，就能说明这种超级雾霾是这类蓬松行星的标配，也能给我们的行星形成理论提供关键线索。

可随着热木星、超级地球、超级蓬松行星这些宇宙怪胎一个个的发现，我们才意识到，我们对行星形成的了解可能连冰山一角都不到。