一個(gè)包含NASA在內的國際合作團隊在距離地球40光年的恒星周?chē)l(fā)現7個(gè)與地球大小相當的行星，其中3個(gè)位于宜居帶內?；蛟S在十年內，我們就能探明它們表面存不存在生命。
文︱《科學(xué)美國人》編輯李·比林斯（Lee Billings）
編譯︱丁家琦
本文獲微信公眾號“環(huán)球科學(xué)ScientificAmerican”（ID: huanqiukexue）授權轉載
藝術(shù)家筆下的TRAPPIST-1及其7個(gè)行星。TRAPPIST-1是一顆溫度極低（作為恒星而言）的矮星，科學(xué)家猜測這個(gè)恒星系統中可能存在大量的水，因此畫(huà)家在行星軌道間由內到外分別畫(huà)上了氤氳的水汽、盈盈的水滴和晶瑩的冰霜，與它們距離恒星的遠近相對應。圖片來(lái)源：NASA, R. Hurt, T. Pyle
我們的地球又增加了幾個(gè)好伙伴——北京時(shí)間2017年2月23日凌晨2點(diǎn)，天文學(xué)家宣布，在距離地球40光年的一顆恒星周?chē)l(fā)現了7顆與地球大小相當的類(lèi)地行星，其中3顆位于宜居帶內。
我們知道，一顆與地球類(lèi)似的行星必須擁有巖質(zhì)表面，還得位于距離恒星既不太近又不太遠的宜居帶內，受到與地球差不多的光照。在此基礎上，如果它還擁有既不太稠密也不過(guò)于稀薄的大氣，那么它就可能擁有溫和的氣候，容許液態(tài)水存在并累積成湖泊甚至海洋。統計數據表明，我們銀河系中滿(mǎn)足這些標準的行星可能有數十億個(gè)，但目前科學(xué)家觀(guān)察到的不過(guò)十來(lái)個(gè)。
不過(guò)，今天這個(gè)數字又增加了。新觀(guān)察到類(lèi)地行星所圍繞的恒星位于水瓶座，被稱(chēng)為T(mén)RAPPIST-1，它有3顆行星位于宜居帶內，而其他4顆行星在大氣條件合適的情況下也可能存在液態(tài)水和生命。
論文以封面文章的形式發(fā)表在了2月23日的《自然》（Nature）雜志上。這7顆恒星的大小、質(zhì)量和成分都與地球非常相似，科學(xué)家暫時(shí)按照軌道從內到外的順序將它們命名為T(mén)RAPPIST-1 b, c, d, e, f, g與h，不過(guò)這些只是臨時(shí)代號，因為科學(xué)家接下來(lái)將會(huì )詳細研究它們，自然會(huì )給它們取新的名字。
恒星TRAPPIST-1離地球如此之近，它所擁有的類(lèi)地行星又如此之多，因此它必將成為宜居行星搜尋的必經(jīng)之路。有樂(lè )觀(guān)的科學(xué)家認為，在十年之內，我們或許就能在它周?chē)业较低馍拇嬖谧C據。
論文以封面文章的形式發(fā)表在了2月23日的《自然》（Nature）雜志上。圖片來(lái)源：Nature
恒星TRAPPIST-1之所以如此命名，是因為它在一個(gè)被稱(chēng)為T(mén)RAPPIST的系外行星搜尋計劃中被發(fā)現的。
TRAPPIST由比利時(shí)列日大學(xué)所領(lǐng)導，為了紀念比利時(shí)特產(chǎn)的修道院啤酒（trappist）而特意給這項研究計劃強行湊了這個(gè)名字（TRAnsiting Planets and Planetesimals Small Telescope，凌星行星與星子搜尋小型望遠鏡，你們懂的，天文學(xué)家在起名字方面比較喜歡瞎胡鬧）。
列日大學(xué)的天文學(xué)家Micha?l Gillon激動(dòng)地表示：“從此，我們能研究的類(lèi)地行星不再只有太陽(yáng)系內的水星、金星、地球和火星，又多了7個(gè)……或許馬上就能回答那個(gè)存在已久的哲學(xué)問(wèn)題：宇宙中有多少星球能誕生生命？”
這一激動(dòng)人心的重大發(fā)現首先誕生在2015年9月，當時(shí)TRAPPIST團隊在這個(gè)恒星系統中找到了3個(gè)行星，但隱隱約約好像看到還有別的行星隱沒(méi)在周?chē)?。為了看清它們，TRAPPIST團隊尋求了其他天文望遠鏡的幫助，其中就包括NASA的斯皮策太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope），后者在2016年9月到10月間花了20個(gè)整天來(lái)觀(guān)測以收集更多的數據信息，最終于2016年10月27日又發(fā)現了4顆另外的行星。
當然啦，為了慶祝TRAPPIST計劃發(fā)現TRAPPIST-1恒星的類(lèi)地系外行星，TRAPPIST團隊自然是喝了很多trappist（修道院啤酒）。
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TRAPPIST-1長(cháng)什么樣？超小的恒星，朦朧的世界
作為一顆恒星，TRAPPIST-1是很小的，它不比木星大多少，不過(guò)質(zhì)量是木星的80倍。它的年齡可能在5億年到幾十億年之間，這種恒星被天文學(xué)家稱(chēng)為超冷M矮星（ultracool M dwarf），是所有恒星中最小、最暗、最冷的。我們的太陽(yáng)被稱(chēng)為G矮星，它比M矮星大12.5倍，亮2000倍，數量也只有M矮星的20分之一——我們宇宙比較“青睞”小型恒星。
TRAPPIST-1最靠?jì)鹊男行鞘荰RAPPIST-1 b，它的軌道周期只有1.5天，而最外面的行星TRAPPIST-1 h軌道周期約為20天，比水星離太陽(yáng)的距離還近?？茖W(xué)家認為，像TRAPPIST-1的這種恒星-行星系統可能在我們的宇宙中占主流，而我們太陽(yáng)系反而是個(gè)例外。
TRAPPIST-1的7顆行星的軌道周期與質(zhì)量對比
科學(xué)家探測到這7顆恒星的方式，是觀(guān)察它們“凌星”的過(guò)程。既然它們都圍繞著(zhù)恒星運轉，那么當它們越過(guò)其恒星表面，留下陰影時(shí)，在地球上就能夠看到恒星亮度下降的現象。
恒星亮度下降的程度可以幫助科學(xué)家確定行星的大小，而亮度變化的周期則可以幫助科學(xué)家確定行星的軌道周期與它距離恒星的遠近。而對于TRAPPIST-1系統而言，有7顆行星共同圍繞一個(gè)恒星運動(dòng)，它們之間不可避免就會(huì )產(chǎn)生相互作用，使每顆行星的凌星運動(dòng)發(fā)生可測量的偏移。
TRAPPIST團隊成員、麻省理工學(xué)院助理研究員Julien de Wit說(shuō)：“通過(guò)這種偏移，我們就能推算行星的質(zhì)量，知道了行星的大小和質(zhì)量，我們就能計算出它們的體密度，地質(zhì)學(xué)家據此就可以推斷出它們的內部構成?！备鶕@些測量結果，TRAPPIST團隊推算出，這7顆行星的密度都與地球相似，它們要么由巖石組成，要么由金屬內核、巖石與外面包裹的水、冰和氣體構成。
TRAPPIST計劃的合作者、劍橋大學(xué)天文學(xué)家Amaury Triaud說(shuō)，站在中間的某一顆行星的角度看，TRAPPIST-1看起來(lái)應該是一個(gè)橘色的天體，大小比從地球上看的太陽(yáng)大10倍，但亮度只相當于日出日落時(shí)的太陽(yáng)。它的光主要以紅外線(xiàn)的形式照射到行星上，給行星帶來(lái)溫暖。
每隔一段時(shí)間臨近的行星就會(huì )越過(guò)天空，最近的一顆看起來(lái)可能有地球上看月亮的兩倍大，但恒星的位置是不動(dòng)的——因為T(mén)RAPPIST-1系統中行星離恒星太近，所以行星與恒星之間都是潮汐鎖定的，即行星永遠都以同一面朝向恒星，另一面則常年處于黑暗之中。研究人員曾以為潮汐鎖定的行星上不可能存在生命，但如今他們認為，只要行星表面有大氣氣流，就能在面向恒星與背向恒星的兩個(gè)半球之間交換熱量，而只要TRAPPIST-1行星的表面有大氣，就很可能存在氣流。
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在“新地球”上尋找生命
Gillion和同事們已經(jīng)用哈勃望遠鏡觀(guān)測了TRAPPIST-1 b和TRAPPIST-1 c，研究它們表面是否存在厚厚的以氫氣為主的大氣層，并排除了這種可能。他們目前還在尋找水蒸氣。如果用預計于明年升空的詹姆斯·韋伯望遠鏡更仔細地觀(guān)察這個(gè)系統，收集每個(gè)行星20到30個(gè)凌星數據，或許就能知道這些行星表面是否存在對生命的誕生至關(guān)重要的幾種大氣成分。
韋伯望遠鏡也能看到水蒸氣，但它的功能比哈勃更為強大，甚至足以判斷行星表面是否存在全球性的海洋，同時(shí)還能分析行星表面二氧化碳的含量，以估測溫室效應，推算行星表面的平均溫度。它還能在行星表面搜尋臭氧，這是光合作用植物產(chǎn)生氧氣時(shí)的副產(chǎn)物，以及甲烷——甲烷與氧氣共存時(shí)是不穩定的，因此如果它們同時(shí)出現，就意味著(zhù)有源頭在不斷產(chǎn)生這兩種氣體。Gillon說(shuō)：“如果在一個(gè)地方同時(shí)有二氧化碳、水、氧氣和甲烷，就只有一個(gè)解釋——生命?！?/strong>
不過(guò)，事情可能不會(huì )像Gillon說(shuō)的這么容易。哈佛大學(xué)的行星科學(xué)家David Charbonneau說(shuō)：“為了尋找氧氣，并確定它的濃度，測量光學(xué)波長(cháng)是首選的方法，但恒星TRAPPIST-1本身發(fā)出的光非常弱，更不用說(shuō)在凌星時(shí)穿過(guò)行星大氣層的光了?！表f伯望遠鏡會(huì )通過(guò)尋找臭氧的方法來(lái)尋找氧氣，但這類(lèi)測量可能不足以確定氧氣濃度，以找出其源頭。
氧氣濃度對于了解行星表面的真實(shí)情況至關(guān)重要。有些非生命過(guò)程也會(huì )產(chǎn)生大量氧氣，但同時(shí)會(huì )讓行星完全不適合生命居住。M矮星燃燒核燃料的速度非常緩慢，意味著(zhù)它們可以持續發(fā)光數千億年甚至數萬(wàn)億年，但在開(kāi)始的幾十億年中它們可能會(huì )比太陽(yáng)還明亮，將可能宜居的行星烤干，恒星青年期過(guò)于活躍的耀斑和太陽(yáng)風(fēng)可能會(huì )侵蝕行星的大氣，不過(guò)也可能會(huì )讓本來(lái)過(guò)于稠密濃厚的大氣層變得更薄、更宜居。
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除了尋找生命之外，還有研究意義
藝術(shù)家繪制的海報，描繪了TRAPPIST-1 e上看到的情景。圖片來(lái)源：IoA/Amanda Smith
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