行星的密度可以有多低——神奇的棉花糖星球

你能想象一颗像“棉花糖”一样蓬松的星球样吗？有人可能会说：“气态行星大部分都是气体的话应该差不多吧？”

之前“登陆木星”那期里我们还说过，气态行星更多是指我们很难明确界定行星的表面在哪里，而不是说这颗行星大部分都是气态。对于木星来说，在几千公里的云层下，这里就已经开始变成气液混合态了，再往下就是液态的金属氢以及固态的内核。所以通常的气态行星，它们的平均密度虽然没有地球这样的岩质行星大，但也不像想象那样和团棉花似的。

木星内部结构

比如木星的平均密度有 1.326g/cm³，即使太阳系中密度最低的土星也有 0.687g/cm³。没错，理论上把土星扔水里的话，它是可以浮起来的。但今天要说的这个星球，它的平均密度只有 0.27g/cm³，确实像一个巨大的棉花糖。

2022年8月，一篇发表在《天文学杂志》上的文章表示：通过TESS望远镜以及地面辅助观测，天文学家在一颗距离我们590光年的恒星附近发现了一颗非常特殊的类木行星。

这颗行星的标号为 TOI-3757b。从编号b可以看出，它是我们在恒星TOI-3757周围发现的第一颗行星。

TOI-3757是一个比太阳稍小的橙矮星（K型主序星），它已经小到接近红矮星（M型主序星）的规模。而这颗行星也是迄今为止我们在红矮星附近发现的密度最小的系外行星。

通常情况下人们认为，红矮星这类恒星附近很难形成个头比较大的气态行星。因为红矮星虽然比较小，表面温度也不高，但是它们的寿命非常长。今天宇宙里的那些红矮星就像是处于叛逆期的青少年，非常活跃，动不动就来个耀斑什么的。所以如果离它远点还好，要是天天在它跟前儿转悠，那免不了会被波及到，久而久之上面的大气早就被吹得差不多了，因此形成不了特别巨大的行星。

但是这个TOI-3757b它有着和木星一样的个头，不过质量仅仅是后者的1/4。

而它的母恒星作为一颗橙矮星，无论是质量还是半径至少相当于0.6个太阳。加上这个行星它距离恒星只有不到0.04个天文单位（AU），大约只是水星到太阳距离的1/10，差不多属于贴脸飞行了。那么在这么近距离的情况下，它咋还有这么多大气呢？

首先研究人员想到：会不会是因为这颗行星太靠近恒星，所以接收了太多的热量，从而被“烤”胀了呢？

这种说法确实有一定道理，而且也是一般热木星密度通常比较低的原因。因为恒星的热量一部分会进入行星的大气层深处，然后通过各种机制导致其膨胀。不过研究人员观测到这颗行星的温度并没有想象的那么高，还不足以膨胀到这个地步，所以日晒并不是这颗行星膨胀的主要原因。

然后研究人员又想：由于这颗恒星当初是通过凌日法观测到的，如果它是像天王星那样躺着自转的话，那有没有可能是我们把它的行星环当成星球的本体了呢？

天王星

对于一颗距离恒星如此近的行星，它大概率是会被潮汐锁定的。那么它如果有行星环的话，这个行星环必定会和公转轨道在同一平面。即使存在一定夹角，这个角度也不会太大。因此从我们的视角望去，即使这颗行星有行星环，那它也是一条细线，对恒星亮度的遮挡非常有限。所以这个解释也不大可能。

后来研究人员通过元素分析发现，相较于其他红矮星附近的气态行星，这颗行星的金属元素（也就是除氢、氦以外的其他元素）含量非常低。低金属含量意味着当初形成它的原行星盘很容易消散，即使仍有剩余的物质，对于低金属含量行星来说它的吸积过程会非常缓慢。说白了就是，这颗行星在当初发育阶段本就吃得慢，加上周围的食物还没怎么吃就被恒星风吹走了，最终这颗行星的体重只有木星的1/4。质量小意味着引力弱，引力弱内部物质就比较松散，所以才导致了如今的低密度结果。

行星吸积

除了低金属元素的这个解释外，研究人员还提供了另一种比较靠谱的解释：虽然行星表面的温度预示着它并没有从恒星接收到足够的热量。但是如果热量来源于不在外部，而是由其内部产生的话，那么也会对行星的个头产生影响。但是问题在于，对于这颗行星来说它的年纪已经算是比较大了，按理来说核心应该已经冷却得差不多了，那么它内部的热量是从哪来的呢？

此时研究人员发现，这颗行星的轨道偏心率比较高。这种椭圆型轨道会使行星内部被潮汐作用加热，这或许也是行星膨胀的原因之一。不过这种影响究竟有多大，目前还不好说。需要后续对行星内部结构进行更详细的研究，以及对轨道偏心率进行更精确的估算后才能知道。

其实今天说的TOI-3757b还不是密度最小的行星，2012年天文学家在距离我们大约三千光年的开普勒-51 恒星附近，发现了两颗极为蓬松的行星。论个头，其中开普勒-51b 的半径是木星的0.6倍，但质量仅相当于2个地球。而另一个开普勒-51c 更加夸张，质量只有4个地球质量，但半径达到了木星的0.8倍，换算下来密度还不到 0.1g/cm³，或许这才是真正的“气态行星”。

开普勒-51c质量与半径

此外，开普勒-51周围的这些行星（以及恒星自己）它们都非常年轻。如果45亿岁的太阳系正值中年，那么开普勒-51还只是个5亿岁的小朋友。另外，这些比棉花糖还要蓬松的行星它们的气体正在迅速消散，在接下来的十亿年里，它们“浮肿”的身躯会慢慢变得“苗条”，最终成为像海王星一样的类海王星天体。

开普勒-51

最后，对于这些距离恒星非常近的热木星来说，存在生命就别想了，尤其是今天说的TOI-3757b这种低金属行星，毕竟无论是碳基还是硅基，原材料不够说啥也没用啊。