（艾麥樂(lè ) 編譯）一年前，天文學(xué)家宣布發(fā)現TRAPPIST-1行星系，包含7顆類(lèi)地行星，環(huán)繞著(zhù)一顆溫度超低的紅矮星運行。這是一項重大的天文學(xué)發(fā)現，因為這類(lèi)低質(zhì)量恒星是銀河系里為數最多的恒星，在其中一顆周?chē)l(fā)現潛在的宜居行星，讓很多人猜測生命可能存在于那里，存在于我們銀河系中其他類(lèi)似的恒星周?chē)?/p>
這一發(fā)現還激勵全世界的天文學(xué)家進(jìn)行了許多額外的研究，動(dòng)用了更多的設備，運行了復雜的模型，以更好地了解這個(gè)行星系統，以及它擁有生命的潛力。
如今，一年多過(guò)去了，現在是時(shí)候來(lái)更新一下，關(guān)于這個(gè)距離地球40光年的行星系統，我們又有了哪些新的認識。
在2016年12月到2017年3月之間，執行K2任務(wù)的開(kāi)普勒空間望遠鏡收集了更多關(guān)于TRAPPIST-1的觀(guān)測數據。開(kāi)普勒望遠鏡被設計用于測量太陽(yáng)系外行星的凌星現象，但即使對這臺出色的行星搜尋望遠鏡來(lái)說(shuō)，觀(guān)測TRAPPIST-1仍是一項艱巨的挑戰，因為T(mén)RAPPIST-1在可見(jiàn)光波段非常暗淡。好在，在整個(gè)開(kāi)普勒任務(wù)期間，天文學(xué)家對這臺望遠鏡的許多性能已經(jīng)有了深入了解，包括使用更好的辦法來(lái)提升靈敏度，使得它能夠檢測到TRAPPIST-1這樣的凌星信號（凌星期間恒星變暗的幅度通常為0.1%）。2017年5月發(fā)表在《自然》上的一篇文章，對該行星系統中最外側行星TRAPPIST-1 h的軌道周期作了更精確的限制（周期為18.766天）。他們的研究顯示，那7顆行星如預期一般處于一系列復雜的三體共振之中，表明它們的軌道在很長(cháng)一段時(shí)間內都能維持穩定。
請記住，我們并沒(méi)有真正看見(jiàn)那些行星，只是利用凌星技術(shù)檢測到了它們的影子，這讓我們能夠很好地估測行星的大小和軌道。然而，要真正了解一顆行星的本質(zhì)，我們還需要確定它的密度，也就是質(zhì)量。為了在多行星系統中估測行星質(zhì)量，天文學(xué)家使用了一種技術(shù)，稱(chēng)為凌星計時(shí)變化法（TTV）。這種技術(shù)涉及到對凌星時(shí)刻的細微變化的測量，這些變化是由該行星系統中其他行星的引力相互作用所引起的。利用一套新算法對包含TRAPPIST和K2的一整套觀(guān)測數據進(jìn)行分析后，一組科學(xué)家已經(jīng)顯著(zhù)改進(jìn)了對TRAPPIST-1各顆行星的密度測量結果。這些行星的密度介于地球的0.6到1.0倍之間，與太陽(yáng)系內類(lèi)地行星的密度相似?？紤]這些行星能夠接收到的恒星星光總量，TRAPPIST-1 e大概是其中最類(lèi)似地球的一顆。2018年2月發(fā)表的一篇論文還討論了這些行星的內部構造，指出TRAPPIST-1 c和e擁有較大的巖石內核，而b、d、f、g應該擁有較厚的大氣、海洋或者冰殼。
要理解一個(gè)行星系統，我們需要準確了解系統中最大的天體，也就是那顆恒星。恒星天文學(xué)家已經(jīng)增進(jìn)了他們對TRAPPIST-1這顆恒星的認識，估算出它的年齡介于50億到100億年之間，發(fā)現它要比太陽(yáng)更加古老。這一估算的基礎建立在多種不同的方法之上，包括對恒星活動(dòng)、自轉速率以及這顆恒星在銀河系中所處位置的研究。它的質(zhì)量也被重新修正為太陽(yáng)質(zhì)量的9%，這會(huì )對行星到恒星的距離估算產(chǎn)生細微的影響。
在觀(guān)測這一行星系統的過(guò)程中，天文學(xué)家也檢測到了強烈的恒星耀斑爆發(fā)。根據哈勃空間望遠鏡所作的紫外監測和XMM/牛頓望遠鏡所作的X射線(xiàn)觀(guān)測，結合計算機模型的模擬顯示，內側的行星或許已經(jīng)失去了大量的水，但最外側的幾顆行星大概還保留了大部分的水。這些復雜的模型模擬了行星流失氣體的過(guò)程，以及它們與恒星星風(fēng)的相互作用，再結合這些行星各自的質(zhì)量，對于理解TRAPPIST-1行星的性質(zhì)及其潛在的宜居性至關(guān)重要。
天體動(dòng)力學(xué)家也對這個(gè)復雜的行星系統產(chǎn)生了興趣。有7顆行星圍繞著(zhù)一顆低質(zhì)量的恒星運行，人們可以合理地懷疑這個(gè)系統的穩定性。他們的模型證明，這個(gè)系統可以在數十億年內保持穩定。如果想讓生命在那里蓬勃發(fā)展的話(huà)，這是一個(gè)極好的消息。
現在，我們有了明確的證據證明TRAPPIST-1的行星是存在的，我們還知道它們的軌道、大小和質(zhì)量，但想要宣稱(chēng)那些行星的表面存在液態(tài)水，判斷這些行星是否可供生命生存，我們還有太多太多的未知必須要去了解。
計算行星表面溫度的關(guān)鍵挑戰之一，是要了解它是否擁有大氣，大氣又如何構成。大氣可以起到毯子一樣的作用，使行星表面溫度升高。使用哈勃空間望遠鏡，天文學(xué)家試圖檢測TRAPPIST-1 d、e、f、g這4顆行星是否存在富含氫氣的大氣層。在近紅外波段的不同“顏色”范圍內對凌星事件所作的觀(guān)測，排除了d、e和f這3顆行星擁有這種大氣層的可能性。氫氣為主的大氣層會(huì )導致行星表面高溫高壓，與存在液態(tài)水相矛盾。沒(méi)有檢測到這樣的大氣，表明這些行星可能擁有類(lèi)似地球的大氣層。如果你跟我一樣，對這些行星是否宜居感興趣的話(huà)，這算是一個(gè)好消息。
如果生命曾經(jīng)出現在TRAPPIST-1的某顆當時(shí)宜居的行星上，那它擴散到整個(gè)行星系統的可能性有多大呢？?jì)晌惶煳膶W(xué)家在2017年6月發(fā)表的一篇短文中探討了這一假設。他們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單模型來(lái)模擬隕石有生源說(shuō)（lithopanspermia，即通過(guò)隕石將生物體從一顆行星轉移到另一顆行星），發(fā)現TRAPPIST-1系統中發(fā)生這種情況的可能性，要比地球和火星之間高出好幾個(gè)數量級。在更加緊湊的TRAPPIST-1行星系統中，天體更有可能發(fā)生碰撞，行星間的轉移時(shí)間也更短，使得生命在行星之間擴散的可能性更大。他們得出結論認為，TRAPPIST-1中出現生命的可能性會(huì )更高。當然，這純粹是基于物理學(xué)考慮而得出的猜測，仍然需要得到觀(guān)測數據的支持，但這也表明在銀河系的其他地方尋找此類(lèi)緊湊迷你行星系統變得更加重要了。
生命不只可能生存在行星上，也可能生存在衛星上，而且衛星對于生命的存在可能意義重大，因為衛星能夠穩定行星的自轉軸，并在行星上引發(fā)潮汐形成小水池，這對復雜分子的形成和互動(dòng)可能至關(guān)重要。盡管斯皮策空間望遠鏡有能力檢測到跟我們的月亮一樣大的衛星，但在TRAPPIST-1那些行星的周?chē)壳斑€沒(méi)有檢測到任何衛星。理論研究表明，內側的幾顆行星（從b到e）不太可能擁有小衛星，因為它們離恒星和其他行星太近。我們還沒(méi)能在該行星系統的外側行星周?chē)l(fā)現小衛星，而且如果不使用更大的空間和地面望遠鏡的話(huà)，我們將無(wú)法檢測到這樣的衛星存在。
感應加熱是地球上用來(lái)熔化金屬的一種工藝。當我們改變導體介質(zhì)中的磁場(chǎng)時(shí)，就會(huì )出現感應加熱現象，通過(guò)熱量消散能量。天文學(xué)家幾年前就知道，類(lèi)似TRAPPIST-1這樣的M型恒星擁有強大的磁場(chǎng)。一組天文學(xué)家研究了這樣一個(gè)強磁場(chǎng)，對傾斜于磁場(chǎng)方向的行星系統中內側行星內部構造的影響。假設那些行星的內部結構和物質(zhì)構成都類(lèi)似于地球，他們發(fā)現最內側的3顆行星（b、c、d）應該會(huì )經(jīng)歷超強的火山活動(dòng)和放氣過(guò)程，在一些極端情況下還會(huì )發(fā)展出巖漿海和板塊構造，以及大規模的地震活動(dòng)，與太陽(yáng)系里火山活動(dòng)最劇烈的木衛一Io相當。需要再次強調的是，這個(gè)結果非常依賴(lài)于模型，因為我們沿并不清楚這些行星的內部構成，而這又會(huì )直接影響感應加熱的強度。但是，如果它們的物質(zhì)構成真跟地球類(lèi)似，它們就有可能成為地獄版本的地球。
其他科學(xué)家也探討了這個(gè)行星系統中存在大型板塊構造和強烈地震的可能性，原因則是行星與恒星之間及行星與行星間的相互作用引起的潮汐應力。如果這些活動(dòng)是真實(shí)的，TRAPPIST-1的一部分行星可能確實(shí)與地球相似，有著(zhù)類(lèi)似的大陸板塊、海床和活火山，但是想要證實(shí)這一點(diǎn)，有朝一日我們還是需要拍一張照片才行。
我總結了過(guò)去兩年來(lái)，關(guān)于TRAPPIST-1這個(gè)神奇的行星系統，天文學(xué)家發(fā)表過(guò)的一些新文章。這份清單并不詳盡，有可能錯過(guò)了關(guān)于這個(gè)復雜行星系統的一些有趣的想法和新的假設。
但有一點(diǎn)是清楚明白的：這些文章讓我和許多其他人感到興奮不已，因為利用更大的望遠鏡進(jìn)行后續觀(guān)測，會(huì )給我們帶來(lái)更多的驚喜。這些望遠鏡中，既包括地面上的特大望遠鏡（ELT），也包括太空里的韋布空間望遠鏡（JWST）。每一臺望遠鏡都是必須的，能夠幫助我們限定模型，增進(jìn)我們對于這個(gè)系統的了解。舉例來(lái)說(shuō)，用這些設施對這個(gè)行星系統進(jìn)行長(cháng)期監測，將進(jìn)一步限制那里是否有衛星存在。利用韋布空間望遠鏡的精確測光能力，天文學(xué)家希望能夠更精確地測定這些行星的質(zhì)量和軌道，探測它們大氣層的化學(xué)構成，繪制TRAPPIST-1系統中所有行星粗略的溫度分布圖。
2020年之后，如果韋布望遠鏡進(jìn)展順利，并且如我們預期一般提供了極好的數據，我們可能會(huì )得到TRAPPIST-1各顆行星的粗略地圖，就像哈勃空間望遠鏡繪制過(guò)的冥王星地圖那樣。那張地圖的準確性，后來(lái)得到了新視野號探測器的證實(shí)。
在不到20年的時(shí)間里，類(lèi)似TRAPPIST-1這樣的近距離行星系統將成為我們的宇宙后院。如果TESS、PLATO、ARIEL、JWST和ELT這樣的項目都能按計劃順利進(jìn)行的話(huà)，我們很快就將揭開(kāi)那些奇異世界的秘密。我確信，我們會(huì )驚訝于它們的多樣性，就像我們自己的太陽(yáng)系過(guò)去20年來(lái)帶給我們的驚訝一樣。（編輯：Steed）
聯(lián)系客服
