據頭條號“中國科普博覽”23日報道，在北京時(shí)間23日凌晨召開(kāi)的新聞發(fā)布會(huì )上，NASA又宣布了一個(gè)令人吃驚又興奮的新發(fā)現：科學(xué)家們通過(guò)斯皮策紅外太空望遠鏡，在距離地球39光年的地方，首次發(fā)現了7個(gè)地球大小的行星圍繞一顆恒星運行的行星系統，更重要的是，其中3顆行星位于母恒星TRAPPIST-1的宜居帶內。（圖1）
圖1：TRAPPIST-1系統圖。
這一發(fā)現刷新了太陽(yáng)系外圍繞一顆恒星運行的宜居行星數量。在此前發(fā)現的30多個(gè)宜居系統中，每個(gè)系統中都只有一顆宜居行星。這一次，在一個(gè)系統當中找到三顆宜居行星，賺到了！麻省理工學(xué)院教授Sarah Seager在發(fā)布會(huì )上說(shuō)：“從無(wú)到有（指此次在一個(gè)恒星周?chē)嬖诙鄠€(gè)類(lèi)地系統的發(fā)現）通常困難重重，但從1到更多會(huì )相對更容易?！贝舜味鄠€(gè)類(lèi)地行星系統的發(fā)現，或許會(huì )為地外生命的探尋開(kāi)辟一個(gè)新的方向
在2015年發(fā)現“地球大表哥”開(kāi)普勒452B和2016年發(fā)現“地球孿生哥哥”比鄰星b之后（圖2），“地球兄弟團隊”也在不斷擴充之中。
圖2：地球分別和開(kāi)普勒452B（左）、比鄰星b（右）大小比較圖。
7顆“戀母”行星：距離恒星較近，科學(xué)家20天看遍
這是人類(lèi)首次發(fā)現如此多的類(lèi)地行星在一個(gè)恒星周?chē)@轉，甚至比圍繞太陽(yáng)轉動(dòng)的類(lèi)地行星還要多（太陽(yáng)系中只有4個(gè)巖質(zhì)的類(lèi)地行星，分別是水星，金星，地球和火星）。自從人類(lèi)在90年代初探測到第一個(gè)地外行星以來(lái)，截至2017年2月15日，天文學(xué)家們已經(jīng)在2687顆恒星周?chē)l(fā)現了5000多顆地外行星。盡管和地球尺寸大小差不多的行星有可能占到了20%左右，但是根據地球相似指數判斷，只有2個(gè)（Kepler 438b和KOI-4878.01）和地球相似，所以類(lèi)地行星是及其稀少的。
確認行星本身的存在和數量比較容易，而確定行星的構成則相對比較困難，需要我們對行星的質(zhì)量和半徑進(jìn)行測量之后，才有可能做出估計。對于目前探測到的絕大多數地外行星而言，因為質(zhì)量和半徑不易測量，我們很難最終確定行星的構成。
在這次新發(fā)現的七星系統中，7顆行星距離恒星TRAPPIST-1都非常近，行星運行的軌道平面又非常適于觀(guān)測，天文學(xué)家們才有機會(huì )確定這些行星的性質(zhì)。
這7兄弟距離它們的母星究竟有多近呢？如果以太陽(yáng)系做類(lèi)比的話(huà)，這7個(gè)地球大小的行星都被壓縮在水星的軌道之內。最近的一顆行星TRAPPIST-1b，差不多只有地球到太陽(yáng)距離的1/100（參見(jiàn)圖3），水星到太陽(yáng)距離的1/30；最遠的行星TRAPPIST-1h，也只有水星到太陽(yáng)距離的1/6。正是因為距離甚近，七顆行星的公轉周期很短——最短的1.5天，最長(cháng)的也只有20天，于是，天文學(xué)家們在利用美國斯皮策紅外望遠鏡對這一系統進(jìn)行了持續20天的觀(guān)測之后，就幾乎很好地了解了所有這些行星的基本性質(zhì)。當然，因為老七最遠，觀(guān)測時(shí)長(cháng)和它的轉動(dòng)周期差不多，所以我們在這20天里對它的了解是最少的。
圖3：此系統各個(gè)行星參數和太陽(yáng)系巖質(zhì)行星參數比較。
TRAPPIST-1（中譯名為“特拉比斯特-1”）——這個(gè)中心恒星的名字聽(tīng)起來(lái)十分古怪，其實(shí)，它源自一個(gè)叫做“TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope–South”（TRAPPIST；行星和星子凌星的小望遠鏡系統）的望遠鏡項目。該項目利用位于智利拉息拉天文臺（La Silla observatory）一個(gè)口徑60厘米的小型望遠鏡，在紅外波段對太陽(yáng)系附近的超冷褐矮星光變曲線(xiàn)進(jìn)行監測（之所以利用紅外波段是因為母星溫度比較低，主要輻射在紅外波段），試圖探測到其周?chē)男行恰?/p>
我們如何尋找近40光年之外地球的兄弟呢？行星探測方式有許多種，常用的有視向速度法、凌日法、微引力透鏡法，還有直接成像法等，全都介紹一遍得用上幾節課的時(shí)間。對于TRAPPIST項目來(lái)說(shuō)，顧名思義，它所使用是凌星法——當行星從恒星前方經(jīng)過(guò)時(shí)，由于行星的遮擋效應，會(huì )使恒星星光在一定程度上變暗（其實(shí)變化極其微小，最大只有百分之一），我們從而可以推斷行星的存在。
此次新聞發(fā)布會(huì )的主角TRAPPIST-1是該項目所發(fā)現的第一個(gè)超冷矮星系統（注：超冷矮星，指質(zhì)量通常只有幾十個(gè)木星質(zhì)量的恒星）。2016年5月的時(shí)候，歐洲和美國的科學(xué)家們曾聯(lián)合利用此望遠鏡和更大口徑的甚大望遠鏡（Very LargeTelescopes）對此系統進(jìn)行觀(guān)測，發(fā)現了三顆行星。而這一次，他們更進(jìn)一步，利用口徑0.85米的斯皮策太空紅外望遠鏡，不僅對原已發(fā)現的行星做出了進(jìn)一步確認，而且又發(fā)現了另外四顆類(lèi)似行星（圖4）。
圖4：斯皮策望遠鏡（左）所觀(guān)測到的7個(gè)行星的光變曲線(xiàn)示意圖（右），凹陷的地方是因為行星的遮擋效應。
3顆宜居星球：雖有生命希望，然而危機重重
更重要的是，在新發(fā)現的4顆行星中，竟然有3顆行星位于我們一直在努力探索的宜居帶中，也就是人們常說(shuō)的“金發(fā)姑娘區”（Goldilocks Zone）。按照我們目前對于生命的理解，液態(tài)水是生命存在的最基本要求。所以一顆恒星既不能距離恒星太近，也不能距離恒星太遠——太近，行星表面就會(huì )太熱；太遠，行星表面又太冷——都無(wú)法產(chǎn)生液態(tài)水存在的條件。當然，對于不同大小和溫度的恒星而言，宜居帶的位置和寬度會(huì )又差別。
在我們的太陽(yáng)系中，金星、地球和火星位于宜居帶中。和業(yè)已50億歲的太陽(yáng)相比，TRAPPIST-1系統中心的恒星TRAPPIST年齡只有5億年，尺寸要比太陽(yáng)小很多，直徑只有太陽(yáng)的1/10，僅比木星稍微大一點(diǎn)點(diǎn)（圖5）。與此同時(shí)，它的溫度也很低，表面溫度大約為2550開(kāi)爾文，所對應的亮度只有太陽(yáng)的1/2000。由此我們不難想見(jiàn)，它的宜居帶也比太陽(yáng)系里的宜居帶更加靠近中心恒星。
在這七兄弟當中，1e、1f 和1g三顆行星被認為是最有可能存在液態(tài)水的（圖6）。盡管中心恒星的亮度相比太陽(yáng)而言十分微弱，但因為它們距離恒星很近，所以接收到的中心輻射也不算弱——1e接收到的光和地球所接收的太陽(yáng)光差不多，1f上的光和火星上的相似。
圖5：TRAPPIST系統和木星衛星大小比較圖。
圖6：綠色區域代表宜居帶。
圖7：1f上的想象圖。
地球究竟是不是宇宙中孤獨的生命載體？這是天文學(xué)家們一直以來(lái)在努力解答的問(wèn)題，也是人類(lèi)尋找宜居星球的初衷。盡管單從距離的角度判斷，這幾個(gè)行星都比較適合于生命的發(fā)展，但是生命是否真正存在，還取決于很多其他因素。
至少對于1e、1f和1g三顆宜居行星而言，生命存在并不樂(lè )觀(guān)。這主要因為它們距離中心恒星比較近，很有可能已經(jīng)被潮汐鎖定——就像月球總是把自己的正面對著(zhù)地球一樣——這些行星有可能總是以固定某一面對著(zhù)中心恒星，這對于生命的發(fā)展是很不友好的。
但宇宙又往往給我們以驚喜，生命也時(shí)常存在于我們意想不到的環(huán)境之中。生命的活動(dòng)通常會(huì )在行星的大氣中留下一些特征，所以關(guān)于這些行星中究竟有無(wú)生命存在，還需要我們對它們的大氣展開(kāi)進(jìn)一步觀(guān)測分析。
明年即將發(fā)射的韋伯紅外望遠鏡，憑借著(zhù)其巨大的口徑和強大的觀(guān)測能力，或許會(huì )告訴人類(lèi)這些行星上有無(wú)生命的答案。讓我們在為努力探索的科學(xué)家們歡呼加油的同時(shí)，一同期盼宇宙深處生命信號的到來(lái)。
出品：科普中國
制作：黑洞來(lái)客團隊 茍利軍 黃月
監制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò )信息中心
http://www.guancha.cn/scroll-news/2017_02_23_395660.shtml
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