在觀察其他恆星周圍的行星的間隙，歐洲航天局的CHaracterising ExOPlanet衛星（Cheops）任務觀察了我們太陽系中的一顆矮行星，並為發現它周圍的密集物質環做出了決定性的貢獻。這顆矮行星被稱為Quaoar。在幾乎是Quaoar半徑7.5倍的距離上存在一個環，為天文學家們揭開了一個謎團：為什麼這些物質沒有凝聚成一個小衛星？

藝術家對矮行星Quaoar及其環的印象。Quaoar的衛星Weywot顯示在左邊。Quaoar的環是通過在2018年至2021年期間進行的一系列觀測發現的。利用一系列地面望遠鏡和歐空局的天基望遠鏡Cheops，天文學家觀察到Quaoar在一連串遙遠的恆星面前穿過，在它經過時短暫地遮擋了它們的光線。資料來源：歐空局，CC BY-SA 3.0 IGO

這個環是通過在2018年至2021年期間進行的一系列觀測發現的。天文學家利用一系列地面望遠鏡和天基望遠鏡Cheops，觀察Quaoar在一連串遙遠的恆星面前穿過，在它經過時短暫地遮擋了它們的光線。

這樣的事件被稱為掩星現象。觀察被遮擋恆星的光線如何下降，可以提供關於被遮擋物體的大小和形狀的信息，並且可以揭示被遮擋物體是否有大氣層。在這種情況下，主掩星前後較小的光滴暴露了Quaoar周圍軌道上存在的物質。

Quaoar是被稱為跨海王星物體（TNOs）的小型遙遠世界中的一個。目前已知的大約有3000個。顧名思義，TNOs被發現在太陽系的外圍，超出了海王星的軌道。TNOs中最大的是冥王星和厄里斯。Quaoar的半徑估計為555公里，在大小名單上排在第七位，由一顆名為韋沃特的小衛星繞行，半徑大約為80公里。

研究這些矮行星是很困難的，因為它們的體積小，距離極遠。Quaoar本身繞著太陽運行的距離幾乎是太陽與地球距離的44倍。因此，借助掩星現像是特別有價值的工具。然而，直到最近，還很難準確預測它們發生的時間和地點。

為了使掩星發生，掩星物體（這裡是TNO）、恆星和觀測望遠鏡之間的排列必須非常精確。在過去，幾乎不可能滿足嚴格的精度要求以確保看到一個事件。然而，為了追求這一目標，歐洲研究理事會幸運星項目在索邦大學和巴黎天文台的Bruno Sicardy的協調下成立，以預測即將發生的天王星掩星事件，並協調全球專業和業餘觀測站對這些事件的觀測。

歐空局的特徵系外行星衛星Cheops的藝術家印象，它在地球上空的軌道上。在這個視圖中，衛星的望遠鏡蓋是打開的

最近，觀察到的恆星掩星的數量有所增加。在很大程度上，這要歸功於歐空局的星體測繪任務Gaia的數據貢獻。該航天器在恆星位置上提供瞭如此驚人的準確性，使幸運星團隊的預測變得更加確定。

參與幸運星項目的人之一是意大利卡塔尼亞INAF天體物理觀測站的伊莎貝拉-帕加諾，她是Cheops委員會的成員。伊莎貝拉是由歐空局Cheops任務的項目科學家Kate Isaak聯繫的，她很好奇太空望遠鏡是否也能捕捉到掩星。

主要的問題是，由於地球大氣層上部的阻力，衛星的軌跡可能會略有改變。這是由於不可預測的太陽活動會撞擊我們的星球並使其大氣層膨脹。事實上，該小組第一次試圖觀察與Cheops的掩星，其中涉及到冥王星，預測並不十分準確，無法觀察到掩星。然而，在第二次嘗試中，當他們觀測Quaoar時，對準的情況更為有利。這樣一來，他們首次從太空中發現了一個跨海王星天體的掩星現象。

藝術家對CHEOPS的印象。資料來源：© ESA / ATG medialab

伊莎貝拉說：”Cheops數據的信噪比非常驚人。信噪比是衡量檢測到的信號對系統中的隨機噪聲有多強。Cheops提供了一個很好的信噪比，因為望遠鏡沒有通過地球低層大氣的扭曲影響進行觀察。”

這種清晰度被證明在識別Quaoar的環形系統方面是決定性的，因為它使研究人員能夠排除光的下降是由地球大氣中的虛假效應造成的可能性。通過結合使用地球上的望遠鏡進行二次探測，有可能確定它們是由環繞Quaoar的環形系統引起的。

巴西里約熱內盧聯邦大學的Bruno Morgado領導了這項分析。他將Cheops的數據與來自世界各地的大型專業天文台和業餘公民科學家的數據結合起來，所有這些人在過去幾年裡都觀察到Quaoar掩蓋了各種恆星。”當我們把所有的東西放在一起時，我們看到了亮度的下降，這不是由Quaoar引起的，但這表明存在著圍繞它的圓形軌道的物質。當我們看到這一點的時候，我們說，’好吧，我們看到的是圍繞著Quaoar的一個環。'”

說到環狀系統，巨行星土星占據了頭把交椅。土星擁有一系列環繞行星赤道的塵埃和小衛星，毫無疑問是一個會讓人令人印象深刻的觀測景象，但環狀系統的質量卻相當小。如果收集起來，它的質量只會是土星衛星Mimas的三分之一到二分之一，或者是地球南極冰架質量的一半左右。

Quaoar的環比土星的環小得多，但也同樣耐人尋味。它並不是已知存在於矮行星或小行星周圍的唯一環狀系統。另外兩個已經通過地面觀測被發現：圍繞著女凱龍星和Haume。然而，使Quaoar環獨特的是，它是在相對於Quaoar本身的地方發現的。

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，接近的天體會被拉成碎片。這就是所謂的羅氏極限。密集的環狀系統預計會存在於羅氏極限內，土星、女凱龍星和Haume就是這種情況。

意大利卡塔尼亞國家航空航天局天體物理觀測站的喬瓦尼-布魯諾說：”因此，在Quaoar周圍的這一發現的耐人尋味之處在於，物質的環比羅氏極限要遠得多。”

這是一個謎，因為根據傳統思維，超過羅氏極限的環將在短短幾十年內凝聚成一個小衛星，這意味著密集環只在行星體的羅氏極限內生存的經典觀念必須被徹底修正。

早期的結果表明，Quaoar的寒冷溫度可能在防止冰冷的顆粒粘在一起方面發揮了作用，但是還需要進行更多的調查。Cheops的觀測在確定Quaoar周圍存在一個環方面發揮了關鍵作用，這是對高精度、高節奏光度測量的應用，超出了任務中更典型的系外行星科學。

當理論家們開始研究Quaoar環如何生存時，”幸運星”項目將繼續觀察Quaoar和其他TNOs，因為它們遮蔽了遙遠的恆星，以測量它們的物理特性，並觀察還有多少其他的環系統。

而Cheops將回到它最初的任務，研究附近的系外行星。