可观测Universe 第57章 TrES－4b

TrES-4b

· 描述：异常蓬松的气态巨行星

· 身份：围绕恒星GSC 02620-00648运行的热木星，距离地球约1400光年

· 关键事实：它的密度极低，比软木塞还轻，是当时已知密度最低的行星之一。

TrES-4b：宇宙中最“蓬松”的气态巨行星——第一篇·发现与基本特征

引言：系外行星探索的“异常样本”

当我们仰望星空，视线所及的恒星大多已有数十亿年的历史，它们周围或许正运行着另一类“太阳系”——由岩石行星、气态巨行星乃至冰巨星组成的恒星系统。自2009年开普勒望远镜升空以来，人类已确认超过5500颗系外行星，其中一类被称为“热木星”的气态巨行星因其极端的轨道特性（通常距离宿主恒星仅0.01-0.1天文单位，公转周期不足10天）成为研究热点。而在这些“热木星”中，TrES-4b（全称为TrES-4b，编号GSC 02620-00648 b）以其反常的“蓬松”特质脱颖而出——它的平均密度仅为0.24克/立方厘米，比软木塞（约0.24克/立方厘米，注：软木塞实际密度因种类略有差异，通常在0.1-0.3克/立方厘米间）还要轻，成为人类发现的首批“超低密度系外行星”之一。

对TrES-4b的研究不仅挑战了我们对行星形成与演化的传统认知，更揭示了极端环境下大气物理的奇妙规律。本文将从它的发现历程说起，逐步拆解这颗“宇宙”行星的基本参数、物理特性，以及科学家如何通过观测数据拼凑出它的真实面貌。

一、TrES-4b的发现：凌日法的经典案例

TrES-4b的发现要追溯至2006年，由跨大西洋系外行星调查（Trans-Atlantic Exoplanet Survey，简称TrES）团队完成。这是一项专门利用“凌日法”（Transit Method）寻找系外行星的巡天计划，参与机构包括美国卡内基科学研究所、西班牙加那利天体物理研究所和哈佛-史密森天体物理中心。

凌日法：捕捉恒星的“眨眼”

所谓凌日法，其核心原理是当行星从其宿主恒星前方穿过时（即发生“凌日”现象），恒星的可见光会被行星遮挡一部分，导致亮度出现微小但可测量的下降。这种亮度变化的幅度与行星的横截面积（即半径的平方）成正比，而凌日的周期性则直接对应行星的公转周期。通过连续监测大量恒星的亮度变化，科学家可以筛选出可能的系外行星候选体。

TrES团队选择了银河系中靠近太阳系的区域，利用三台小型望远镜（位于美国亚利桑那州的凯特峰国家天文台、西班牙拉帕尔马的罗克·德洛斯·穆查乔斯天文台，以及以色列的内盖夫沙漠天文台）进行高频率测光观测。这些望远镜虽口径不大（最大仅10厘米），但胜在数量多、覆盖广，能高效识别凌日信号。

从信号到确认：排除误报的关键

2006年3月，TrES团队的望远镜在监测恒星GSC 02620-00648时，捕捉到一组规律的亮度下降信号：每隔3.55天，这颗恒星的亮度会降低约0.015%（相当于被一个直径约为恒星1.7%的天体遮挡）。初步分析显示，这个信号符合气态巨行星凌日的特征——周期短（说明轨道近）、遮挡幅度适中（说明行星半径较大）。

但要确认这是一颗真实的系外行星而非仪器误差或其他天体（如食双星、背景恒星掩食），必须通过后续验证。团队首先利用光谱仪对GSC 02620-00648进行径向速度测量（Doppler spectroscopy），通过分析恒星光谱的多普勒频移，计算行星对恒星的引力扰动，从而推断行星的质量。结果显示，该行星的质量约为木星的0.85倍（约268倍地球质量），结合凌日法测得的半径（约为木星的1.7倍，即约19.2倍地球半径），其密度被计算为仅0.24克/立方厘米——这一数值远低于此前已知的热木星（如HD b的密度约0.69克/立方厘米，WASP-12 b约0.56克/立方厘米）。

为彻底排除误报，团队还调用了哈勃空间望远镜的高级巡天相机（ACS）进行高精度测光，确认凌日信号的周期性和对称性；同时利用斯皮策空间望远镜的红外观测，排除了红外波段的异常干扰。最终，2007年，Mandushev等人在《天体物理学报》发表论文，正式宣布发现TrES-4b，称其为“目前已知密度最低的系外行星”。

二、宿主恒星GSC 02620-00648：“行星”的温床

要理解TrES-4b为何如此蓬松，首先需要了解它的“母星”GSC 02620-00648。这颗恒星是一颗光谱型为G0V的主序星，与太阳类似，但更年轻、更明亮——其质量约为太阳的1.1倍，半径约为1.2倍太阳半径，表面温度约6000K（太阳约5778K），光度比太阳高约20%。它位于武仙座方向，距离地球约1400光年（通过视差法测量），在夜空中肉眼不可见，需借助小型望远镜才能观测到。

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