數十年來，天文學家一直認為只有巨行星才擁有光環。這一認知在2013年被打破：一個運行於土星與天王星之間的暗色小天體在掩星
時出現了兩次短暫閃爍，揭示出這個直徑僅250公里的天體周圍竟環繞著兩道狹窄的光環。「這是一個意外發現，」西班牙格拉納達安達盧西亞天體物理研究所的天文學家巴勃羅·桑托斯-桑斯說道。此後，科學家們一直在探究這些光環的組成成分以及能夠維持多久。
在近期的一項研究中，桑托斯-桑斯及其同事利用詹姆士·韋布空間望遠鏡再次觀測了這個如今被命名為「卡里克羅」的天體掩星過程。他們發現其中一道光環變得更加緻密，而另一道則幾乎消失不見。目前尚不清楚具體原因。
星光掩影
這項觀測背後的技術原理其實很簡單。「我們預測太陽系天體何時會經過某顆恆星前方，」桑托斯-桑斯說道。恆星光芒會短暫變暗，這一變暗過程的形態能夠揭示造成掩星的天體的大小、形狀及周圍環境。「這對於小天體來說本就頗具挑戰，對遙遠的小天體而言難度更大。」他表示。
難點在於，目標天體在天空中的輪廓極其微小，要準確預測其何時經過某顆特定恆星前方，需要對兩者進行極為精確的定位測算。儘管如此，早在2013年，天文學家便利用地面望遠鏡辨識出了卡里克羅的兩道光環——C1R和C2R。這兩道光環分別距離天體中心390公里和405公里，寬度僅有幾公里，彼此間隔約7公里。
然而，若要用太空望遠鏡完成這項觀測，對準目標的難度會大幅增加。詹姆士·韋布空間望遠鏡位於日地L2拉格朗日點，操控人員需要每隔幾周對望遠鏡進行微調，以維持其軌道穩定。「這是一項相當棘手的任務，」桑托斯-桑斯說道。他的團隊在2022年8月鎖定了一次可能出現的卡里克羅掩星事件，並每周重新進行預測計算。從最初的預測到最後一次預測，投影視線的位置偏移了約110公里，這一偏差足以讓觀測目標完全偏離天體本身。而詹姆士·韋布空間望遠鏡要求此類觀測必須提前至少14天進行規劃。
「我們這麼做多少有點盲目，因為我們並不確切知道視線的具體位置，」桑托斯-桑斯說道。「我要調動的可是太空中最大、最先進的望遠鏡之一，而我們根本不知道最終能否捕捉到這次掩星事件。」但最終一切都順利實現了。
這次掩星事件發生在2022年10月18日。重建後的幾何模型顯示，詹姆士·韋布空間望遠鏡指向背景恆星的視線掠過卡里克羅表面上方7.4公里處，雖然錯過了天體本身，卻成功捕捉到了它的光環。
變厚的光環
詹姆士·韋布空間望遠鏡同時以兩個近紅外波段——1.5微米和3.2微米——記錄下了這次事件，這也是人類首次在超過3微米的波段捕捉到小天體光環的信號，而這一波段範圍因地球大氣層的阻隔，是地面望遠鏡無法企及的。
內環的信號清晰無誤，邊緣陡峭分明，但其亮度遠比以往觀測結果要暗。綜合此前約10次地面掩星觀測的平均數據，C1R的正常不透明度（即遮擋星光的比例）約為0.303。而詹姆士·韋布空間望遠鏡此次測得的數值為0.431。「起初我們並不相信這個結果，因此對數據進行了反覆核查，」桑托斯-桑斯說道。
最直接的解釋是幾何因素所致。光環的結構並非處處均勻，詹姆士·韋布空間望遠鏡的觀測路徑或許恰好穿過了一處更為緻密的團塊區域。為排除這一可能性，研究團隊構建了一個考慮光環不均勻性的模型，並模擬運行了1000萬次掩星過程。結果顯示，要在1.5微米波段單次觀測中復現出如此高的不透明度，概率約為千分之一；在3.2微米波段的概率則約為十萬分之四。而詹姆士·韋布空間望遠鏡在此次事件中分別在掩星開始和結束時兩次捕捉到了這一光環，這使得純屬巧合的概率進一步降低。
桑托斯-桑斯得出結論：內環極有可能確實變厚了。與此同時，外環則呈現出截然相反的變化趨勢。
消退的光環
C2R在1.5微米波段的信號極其微弱，在3.2微米波段更是完全沒有顯現，儘管望遠鏡是在同一時刻同時記錄這兩個波段中同一段光環區域的信號。「一開始我們在光變曲線中甚至根本看不到外環的存在，」桑托斯-桑斯說道。「我們不得不藉助模型來分析。它實在太不明顯了，我們當時都在想，『這到底是怎麼回事？』」
研究團隊提出了兩種可能的解釋。第一種解釋是，詹姆士·韋布空間望遠鏡觀測的波段此前幾乎從未有過掩星記錄，因此它可能只是探測到了在紅外波段散射光線方式不同的顆粒物質。另一種解釋則是光環確實發生了物理層面的實際變化。桑托斯-桑斯認為，輻射傳輸模型的結果更傾向於支持後一種解釋。此前基於可見光的觀測數據與冰和矽酸鹽的混合物模型相吻合，但一旦納入詹姆士·韋布空間望遠鏡的觀測數據，任何材料組合和顆粒尺寸的假設都無法解釋望遠鏡所觀測到的現象。
「我們正在見證光環隨時間發生的真實演化過程，」桑托斯-桑斯說道。「當然，這並非確鑿無疑的結論，但對我而言，這是最合理的解釋。」此外，這種演化很可能並非簡單地是外環消退的物質遷移到了內環。以等效寬度衡量，內環增加的物質量約為外環減少量的10倍。
「我們還不清楚這些額外的物質究竟來自何處，但已經有了一些假設，」桑托斯-桑斯說道。
隱形的衛星
桑托斯-桑斯解釋道，目前最主要的解釋是存在一顆與外環共享軌道的小型「牧羊犬」衛星。這樣一個天體不僅能夠解釋光環為何能保持穩定並呈現出銳利的邊緣，還可能持續釋放碎屑物質，從而補充C1R內環的物質。「如果這顆衛星確實存在，那麼目前尚未被探測到，」桑托斯-桑斯說道。
基於詹姆士·韋布空間望遠鏡數據構建的電腦模型也為這兩道光環的成分提供了一些線索。不過桑托斯-桑斯明確表示，這部分研究工作仍未完成。「根據這個模型，我們的初步判斷是內環應由較大的顆粒構成，而外環則被我們認為含有更多塵埃成分，」他說道。「但這仍是一項正在進行中的工作。我目前還無法百分之百確定，哪部分是塵埃，哪部分不是。」
研究團隊表示，最理想的驗證方式是再次捕捉一次卡里克羅的掩星事件，這一次採用可見光波段進行觀測，從而區分出真實的物理變化與波段效應造成的假象。「我們正在持續尋找新的掩星觀測機會，」桑托斯-桑斯說道。他解釋道，理解小天體光環隨時間演化的規律具有重要意義，因為卡里克羅並非唯一擁有光環的小天體。
如今，人們已經在與卡里克羅同類的另一天體「凱龍星」、矮行星妊神星以及海王星外天體「共工星」周圍發現了光環結構。巨行星的光環早已被證實會在數月乃至數年間發生變化：土星的D環已經出現可測量的收縮，海王星「亞當斯環」中的弧段結構也在不斷重新排列組合。而現在看來，小天體的光環似乎同樣存在這種演化現象。
「我認為這項研究只是解開這一謎題的一小塊拼圖，」桑托斯-桑斯說道，「但它或許能為關於小天體光環乃至巨行星光環的更廣泛研究提供重要線索。」
桑托斯-桑斯的這項研究已發表於《科學進展》期刊：https://doi.org/10.1126/sciadv.aeh4794
Q&A
Q1：卡里克羅天體的光環發生了什麼變化？
A：研究發現，卡里克羅的內環（C1R）變得更加緻密，不透明度從0.303上升到0.431；而外環（C2R）幾乎消失，在部分波段中完全無法探測到信號。
Q2：科學家如何確定光環真的發生了物理變化，而不是觀測誤差？
A：研究團隊通過構建光環不均勻性模型並模擬1000萬次掩星過程，發現單純幾何因素造成如此高不透明度的概率極低，且望遠鏡兩次獨立觀測都捕捉到相同結果，因此更支持光環確實發生了物理演化的結論。
Q3：為什麼卡里克羅光環的變化對天文學研究很重要？
A：因為卡里克羅並非唯一擁有光環的小天體，凱龍星、妊神星、共工星等也被發現有環狀結構。研究這些光環如何隨時間演化，有助於理解從小天體到巨行星光環系統的普遍規律。
