小行星光环十年巨变，JWST揭示环状结构神秘演化

数十年来，天文学家一直认为只有巨行星才拥有光环。这一认知在2013年被打破：一个运行于土星与天王星之间的暗色小天体在掩星时出现了两次短暂闪烁，揭示出这个直径仅250公里的天体周围竟环绕着两道狭窄的光环。“这是一个意外发现，”西班牙格拉纳达安达卢西亚天体物理研究所的天文学家巴勃罗·桑托斯-桑斯说道。此后，科学家们一直在探究这些光环的组成成分以及能够维持多久。

在近期的一项研究中，桑托斯-桑斯及其同事利用詹姆斯·韦布空间望远镜再次观测了这个如今被命名为“卡里克罗”的天体掩星过程。他们发现其中一道光环变得更加致密，而另一道则几乎消失不见。目前尚不清楚具体原因。

星光掩影

这项观测背后的技术原理其实很简单。“我们预测太阳系天体何时会经过某颗恒星前方，”桑托斯-桑斯说道。恒星光芒会短暂变暗，这一变暗过程的形态能够揭示造成掩星的天体的大小、形状及周围环境。“这对于小天体来说本就颇具挑战，对遥远的小天体而言难度更大。”他表示。

难点在于，目标天体在天空中的轮廓极其微小，要准确预测其何时经过某颗特定恒星前方，需要对两者进行极为精确的定位测算。尽管如此，早在2013年，天文学家便利用地面望远镜辨识出了卡里克罗的两道光环——C1R和C2R。这两道光环分别距离天体中心390公里和405公里，宽度仅有几公里，彼此间隔约7公里。

然而，若要用太空望远镜完成这项观测，对准目标的难度会大幅增加。詹姆斯·韦布空间望远镜位于日地L2拉格朗日点，操控人员需要每隔几周对望远镜进行微调，以维持其轨道稳定。“这是一项相当棘手的任务，”桑托斯-桑斯说道。他的团队在2022年8月锁定了一次可能出现的卡里克罗掩星事件，并每周重新进行预测计算。从最初的预测到最后一次预测，投影视线的位置偏移了约110公里，这一偏差足以让观测目标完全偏离天体本身。而詹姆斯·韦布空间望远镜要求此类观测必须提前至少14天进行规划。

“我们这么做多少有点盲目，因为我们并不确切知道视线的具体位置，”桑托斯-桑斯说道。“我要调动的可是太空中最大、最先进的望远镜之一，而我们根本不知道最终能否捕捉到这次掩星事件。”但最终一切都顺利实现了。

这次掩星事件发生在2022年10月18日。重建后的几何模型显示，詹姆斯·韦布空间望远镜指向背景恒星的视线掠过卡里克罗表面上方7.4公里处，虽然错过了天体本身，却成功捕捉到了它的光环。

变厚的光环

詹姆斯·韦布空间望远镜同时以两个近红外波段——1.5微米和3.2微米——记录下了这次事件，这也是人类首次在超过3微米的波段捕捉到小天体光环的信号，而这一波段范围因地球大气层的阻隔，是地面望远镜无法企及的。

内环的信号清晰无误，边缘陡峭分明，但其亮度远比以往观测结果要暗。综合此前约10次地面掩星观测的平均数据，C1R的正常不透明度（即遮挡星光的比例）约为0.303。而詹姆斯·韦布空间望远镜此次测得的数值为0.431。“起初我们并不相信这个结果，因此对数据进行了反复核查，”桑托斯-桑斯说道。

最直接的解释是几何因素所致。光环的结构并非处处均匀，詹姆斯·韦布空间望远镜的观测路径或许恰好穿过了一处更为致密的团块区域。为排除这一可能性，研究团队构建了一个考虑光环不均匀性的模型，并模拟运行了1000万次掩星过程。结果显示，要在1.5微米波段单次观测中复现出如此高的不透明度，概率约为千分之一；在3.2微米波段的概率则约为十万分之四。而詹姆斯·韦布空间望远镜在此次事件中分别在掩星开始和结束时两次捕捉到了这一光环，这使得纯属巧合的概率进一步降低。

桑托斯-桑斯得出结论：内环极有可能确实变厚了。与此同时，外环则呈现出截然相反的变化趋势。

消退的光环

C2R在1.5微米波段的信号极其微弱，在3.2微米波段更是完全没有显现，尽管望远镜是在同一时刻同时记录这两个波段中同一段光环区域的信号。“一开始我们在光变曲线中甚至根本看不到外环的存在，”桑托斯-桑斯说道。“我们不得不借助模型来分析。它实在太不明显了，我们当时都在想，‘这到底是怎么回事？’”

研究团队提出了两种可能的解释。第一种解释是，詹姆斯·韦布空间望远镜观测的波段此前几乎从未有过掩星记录，因此它可能只是探测到了在红外波段散射光线方式不同的颗粒物质。另一种解释则是光环确实发生了物理层面的实际变化。桑托斯-桑斯认为，辐射传输模型的结果更倾向于支持后一种解释。此前基于可见光的观测数据与冰和硅酸盐的混合物模型相吻合，但一旦纳入詹姆斯·韦布空间望远镜的观测数据，任何材料组合和颗粒尺寸的假设都无法解释望远镜所观测到的现象。

“我们正在见证光环随时间发生的真实演化过程，”桑托斯-桑斯说道。“当然，这并非确凿无疑的结论，但对我而言，这是最合理的解释。”此外，这种演化很可能并非简单地是外环消退的物质迁移到了内环。以等效宽度衡量，内环增加的物质量约为外环减少量的10倍。

“我们还不清楚这些额外的物质究竟来自何处，但已经有了一些假设，”桑托斯-桑斯说道。

隐形的卫星

桑托斯-桑斯解释道，目前最主要的解释是存在一颗与外环共享轨道的小型“牧羊犬”卫星。这样一个天体不仅能够解释光环为何能保持稳定并呈现出锐利的边缘，还可能持续释放碎屑物质，从而补充C1R内环的物质。“如果这颗卫星确实存在，那么目前尚未被探测到，”桑托斯-桑斯说道。

基于詹姆斯·韦布空间望远镜数据构建的计算机模型也为这两道光环的成分提供了一些线索。不过桑托斯-桑斯明确表示，这部分研究工作仍未完成。“根据这个模型，我们的初步判断是内环应由较大的颗粒构成，而外环则被我们认为含有更多尘埃成分，”他说道。“但这仍是一项正在进行中的工作。我目前还无法百分之百确定，哪部分是尘埃，哪部分不是。”

研究团队表示，最理想的验证方式是再次捕捉一次卡里克罗的掩星事件，这一次采用可见光波段进行观测，从而区分出真实的物理变化与波段效应造成的假象。“我们正在持续寻找新的掩星观测机会，”桑托斯-桑斯说道。他解释道，理解小天体光环随时间演化的规律具有重要意义，因为卡里克罗并非唯一拥有光环的小天体。

如今，人们已经在与卡里克罗同类的另一天体“凯龙星”、矮行星妊神星以及海王星外天体“共工星”周围发现了光环结构。巨行星的光环早已被证实会在数月乃至数年间发生变化：土星的D环已经出现可测量的收缩，海王星“亚当斯环”中的弧段结构也在不断重新排列组合。而现在看来，小天体的光环似乎同样存在这种演化现象。

“我认为这项研究只是解开这一谜题的一小块拼图，”桑托斯-桑斯说道，“但它或许能为关于小天体光环乃至巨行星光环的更广泛研究提供重要线索。”

桑托斯-桑斯的这项研究已发表于《科学进展》期刊：https://doi.org/10.1126/sciadv.aeh4794

Q&A

Q1：卡里克罗天体的光环发生了什么变化？

A：研究发现，卡里克罗的内环（C1R）变得更加致密，不透明度从0.303上升到0.431；而外环（C2R）几乎消失，在部分波段中完全无法探测到信号。

Q2：科学家如何确定光环真的发生了物理变化，而不是观测误差？

A：研究团队通过构建光环不均匀性模型并模拟1000万次掩星过程，发现单纯几何因素造成如此高不透明度的概率极低，且望远镜两次独立观测都捕捉到相同结果，因此更支持光环确实发生了物理演化的结论。

Q3：为什么卡里克罗光环的变化对天文学研究很重要？

A：因为卡里克罗并非唯一拥有光环的小天体，凯龙星、妊神星、共工星等也被发现有环状结构。研究这些光环如何随时间演化，有助于理解从小天体到巨行星光环系统的普遍规律。