根据宾夕法尼亚州立大学和大阪大学的研究人员领导的一项新研究，一个拥有三颗已知超低密度“超级膨胀”行星的不寻常行星系统至少还有一颗行星。研究小组利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）开始研究开普勒-51d，这是该系统中的第三颗行星，但几乎错过了他们的机会，因为这颗行星意外地比模型预测的早了两个小时从它的恒星前面经过。
在仔细研究了来自各种太空和地球望远镜的新数据和档案数据后，研究人员发现，最好的解释是第四颗行星的存在，它的引力影响了系统中其他行星的轨道。
这颗新行星的发现详细发表在《天文学杂志》上的一篇论文中。
“超级膨胀行星非常不寻常，因为它们的质量和密度都很低，”宾夕法尼亚州立大学系外行星和宜居世界中心博士后、该论文的共同第一作者杰西卡·利比-罗伯茨（Jessica Libby-Roberts）说。先前已知的三颗围绕开普勒-51恒星运行的行星大小与土星相当，但质量仅为地球的几倍，因此密度就像棉花糖一样。我们认为它们有微小的核心和巨大的氢氦大气，但这些奇怪的行星是如何形成的，它们的大气是如何没有被年轻恒星的强烈辐射吹走的，这仍然是一个谜。我们计划使用JWST来研究其中一颗行星，以帮助回答这些问题，但现在我们必须解释系统中的第四颗低质量行星！”
从地球上看，当一颗行星从它的恒星前面经过或凌日时，它会挡住恒星的一些光线，导致恒星的亮度略有下降。这种减少的持续时间和数量为了解行星的大小和其他特征提供了线索。行星绕恒星运行一周后就会凌日，但有时它们的凌日会提前或推迟几分钟，因为系统中其他行星的引力会对它们产生牵引力。这些微小的差异被称为凌日时间变化，并被建立在天文学家的模型中，使他们能够准确预测行星何时会凌日。
研究人员表示，他们没有理由相信开普勒-51系统的三行星模型是不准确的，他们成功地利用该模型预测了2023年5月开普勒-51b的过境时间，并随后使用阿帕奇角天文台（APO）望远镜按计划观测它。
利比-罗伯茨说：“我们还试图使用宾夕法尼亚州立大学戴维实验室的望远镜观察2022年的开普勒-51d凌日，但一些时间不好的云层挡住了我们的视线，就在凌日预计开始的时候。”“我们当时可能已经发现了一些问题，但当我们计划用JWST观察它时，我们没有理由怀疑开普勒-51d不会像预期的那样凌日。”
该团队的三行星模型预测，开普勒-51d将在2023年6月美国东部时间凌晨2点左右过境，研究人员准备用JWST和APO观察这一事件。
利比-罗伯茨说：“谢天谢地，我们提前几个小时开始观测，设定了一个基线，因为凌晨2点过去了，然后是3点，我们仍然没有观察到APO对恒星亮度的变化。”“在疯狂地重新运行我们的模型并仔细检查数据后，我们发现当我们开始用APO观测时，恒星亮度立即略有下降，这最终是凌日的开始——提前了2小时，远远超出了我们模型15分钟的不确定性窗口！”
当研究人员分析新的APO和JWST数据时，他们证实他们已经捕获了开普勒-51d的凌日，尽管比预期的要早得多。
“我们对开普勒-51d的早期出现感到非常困惑，对三行星模型进行再多的微调也无法解释如此大的差异，”大阪大学地球与空间科学副教授、该论文的共同第一作者增田贤人（Kento Masuda）说。只有加上第四颗行星才能解释这种差异。这标志着使用JWST通过凌日时间变化发现的第一颗行星。”
为了帮助解释开普勒-51系统中发生的事情，研究小组重新审视了美国宇航局开普勒太空望远镜和美国宇航局凌日系外行星测量卫星（TESS）之前的过境数据。他们还对该系统的内行星进行了新的观测，包括使用哈勃太空望远镜和加州理工学院的帕洛马天文台望远镜，并从几个地面望远镜获得了档案数据。因为这颗新行星，开普勒-51e，还没有被观测到凌日——也许是因为它可能没有经过它的恒星和地球之间的视线——研究人员指出，获得尽可能多的数据来支持他们的新模型是多么重要。
增田说：“我们进行了所谓的‘蛮力’搜索，测试了许多不同的行星属性组合，以找到解释过去14年来收集的所有过境数据的四行星模型。”“我们发现，如果开普勒-51e的质量与其他三颗行星相似，并且绕着一个大约264天的相当圆的轨道运行，那么这个信号就能得到最好的解释——这是我们基于其他行星系统所期望的。我们发现的其他可能的解决方案包括在更宽的轨道上运行更大质量的行星，尽管我们认为这些可能性较小。”
考虑到第四颗行星并调整模型也会改变系统中其他行星的预期质量。根据研究人员的说法，这影响了这些行星的其他推断性质，并告知了它们可能是如何形成的。虽然内部的三颗行星比之前认为的要大一些，但它们仍然被归类为超级泡芙。然而，目前尚不清楚开普勒-51e是否也是一颗超级膨胀行星，因为研究人员没有观测到开普勒-51e的凌日，因此无法计算其半径或密度。
利比-罗伯茨说：“超级膨胀行星相当罕见，当它们出现时，它们往往是行星系统中唯一的一颗。”“如果试图解释三个超级泡芙是如何在一个系统中形成的还不够具有挑战性，那么现在我们必须解释第四颗行星，不管它是不是超级泡芙。我们也不能排除该系统中存在其他行星的可能性。”
因为研究人员认为开普勒-51e的公转周期为264天，他们说需要额外的观测时间来更好地了解它的引力或其他行星对系统内三颗行星的影响。
利比-罗伯茨说：“开普勒-51e的轨道比金星略大，就在这颗恒星的宜居带内，所以如果我们花时间去看的话，在这个距离之外可能会有更多的事情发生。”“继续研究凌日时间的变化可能有助于我们发现离恒星更远的行星，并可能有助于我们寻找可能支持生命的行星。”
研究人员目前正在分析JWST的剩余数据，这些数据可以提供有关开普勒-51d大气的信息。研究人员说，研究内部三颗行星的组成和其他繁荣现象，也可以提高对不寻常的超低密度超级膨胀行星是如何形成的理解。
