一個(gè)包含NASA在內(nèi)的國際合作團(tuán)隊(duì)在距離地球40光年的恒星周圍發(fā)現(xiàn)7個(gè)與地球大小相當(dāng)?shù)男行牵渲?個(gè)位于宜居帶內(nèi)。或許在十年內(nèi)，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(quán)轉(zhuǎn)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(tǒng)中可能存在大量的水，因此畫家在行星軌道間由內(nèi)到外分別畫上了氤氳的水汽、盈盈的水滴和晶瑩的冰霜，與它們距離恒星的遠(yuǎn)近相對應(yīng)。圖片來源：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光年的一顆恒星周圍發(fā)現(xiàn)了7顆與地球大小相當(dāng)?shù)念惖匦行牵渲?顆位于宜居帶內(nèi)。
我們知道，一顆與地球類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(yuǎn)的宜居帶內(nèi)，受到與地球差不多的光照。在此基礎(chǔ)上，如果它還擁有既不太稠密也不過于稀薄的大氣，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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我們銀河系中滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的行星可能有數(shù)十億個(gè)，但目前科學(xué)家觀察到的不過十來個(gè)。
不過，今天這個(gè)數(shù)字又增加了。新觀察到類地行星所圍繞的恒星位于水瓶座，被稱為TRAPPIST-1，它有3顆行星位于宜居帶內(nèi)，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(nèi)到外的順序?qū)⑺鼈兠麨門RAPPIST-1 b, c, d, e, f, g與h，不過這些只是臨時(shí)代號，因?yàn)榭茖W(xué)家接下來將會詳細(xì)研究它們，自然會給它們?nèi)⌒碌拿帧?/p>
恒星TRAPPIST-1離地球如此之近，它所擁有的類地行星又如此之多，因此它必將成為宜居行星搜尋的必經(jīng)之路。有樂觀的科學(xué)家認(rèn)為，在十年之內(nèi)，我們或許就能在它周圍找到系外生命的存在證據(jù)。
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。圖片來源：Nature
恒星TRAPPIST-1之所以如此命名，是因?yàn)樗谝粋€(gè)被稱為TRAPPIST的系外行星搜尋計(jì)劃中被發(fā)現(xiàn)的。
TRAPPIST由比利時(shí)列日大學(xué)所領(lǐng)導(dǎo)，為了紀(jì)念比利時(shí)特產(chǎn)的修道院啤酒（trappist）而特意給這項(xiàng)研究計(jì)劃強(qiáng)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(yuǎn)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激動地表示：“從此，我們能研究的類地行星不再只有太陽系內(nèi)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)問題：宇宙中有多少星球能誕生生命？”
這一激動人心的重大發(fā)現(xiàn)首先誕生在2015年9月，當(dāng)時(shí)TRAPPIST團(tuán)隊(duì)在這個(gè)恒星系統(tǒng)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在周圍。為了看清它們，TRAPPIST團(tuán)隊(duì)尋求了其他天文望遠(yuǎn)鏡的幫助，其中就包括NASA的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡（Spitzer Space Telescope），后者在2016年9月到10月間花了20個(gè)整天來觀測以收集更多的數(shù)據(jù)信息，最終于2016年10月27日又發(fā)現(xiàn)了4顆另外的行星。
當(dāng)然啦，為了慶祝TRAPPIST計(jì)劃發(fā)現(xiàn)TRAPPIST-1恒星的類地系外行星，TRAPPIST團(tuán)隊(duì)自然是喝了很多trappist（修道院啤酒）。
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TRAPPIST-1長什么樣？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。我們的太陽被稱為G矮星，它比M矮星大12.5倍，亮2000倍，數(shù)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最靠內(nèi)的行星是TRAPPIST-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，比水星離太陽的距離還近。科學(xué)家認(rèn)為，像TRAPPIST-1的這種恒星-行星系統(tǒng)可能在我們的宇宙中占主流，而我們太陽系反而是個(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，是觀察它們“凌星”的過程。既然它們都圍繞著恒星運(yùn)轉(zhuǎn)，那么當(dāng)它們越過其恒星表面，留下陰影時(shí)，在地球上就能夠看到恒星亮度下降的現(xiàn)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(yuǎn)近。而對于TRAPPIST-1系統(tǒng)而言，有7顆行星共同圍繞一個(gè)恒星運(yùn)動，它們之間不可避免就會產(chǎn)生相互作用，使每顆行星的凌星運(yùn)動發(fā)生可測量的偏移。
TRAPPIST團(tuán)隊(duì)成員、麻省理工學(xué)院助理研究員Julien de Wit說：“通過這種偏移，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(jì)算出它們的體密度，地質(zhì)學(xué)家據(jù)此就可以推斷出它們的內(nèi)部構(gòu)成?！备鶕?jù)這些測量結(jié)果，TRAPPIST團(tuán)隊(duì)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(nèi)核、巖石與外面包裹的水、冰和氣體構(gòu)成。
TRAPPIST計(jì)劃的合作者、劍橋大學(xué)天文學(xué)家Amaury Triaud說，站在中間的某一顆行星的角度看，TRAPPIST-1看起來應(yīng)該是一個(gè)橘色的天體，大小比從地球上看的太陽大10倍，但亮度只相當(dāng)于日出日落時(shí)的太陽。它的光主要以紅外線的形式照射到行星上，給行星帶來溫暖。
每隔一段時(shí)間臨近的行星就會越過天空，最近的一顆看起來可能有地球上看月亮的兩倍大，但恒星的位置是不動的——因?yàn)門RAPPIST-1系統(tǒng)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(yuǎn)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(rèn)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(yuǎn)鏡觀測了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(yù)計(jì)于明年升空的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡更仔細(xì)地觀察這個(gè)系統(tǒng)，收集每個(gè)行星20到30個(gè)凌星數(shù)據(jù)，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(yuǎn)鏡也能看到水蒸氣，但它的功能比哈勃更為強(qiáng)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(yīng)，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(wěn)定的，因此如果它們同時(shí)出現(xiàn)，就意味著有源頭在不斷產(chǎn)生這兩種氣體。Gillon說：“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，事情可能不會像Gillon說的這么容易。哈佛大學(xué)的行星科學(xué)家David Charbonneau說：“為了尋找氧氣，并確定它的濃度，測量光學(xué)波長是首選的方法，但恒星TRAPPIST-1本身發(fā)出的光非常弱，更不用說在凌星時(shí)穿過行星大氣層的光了?！表f伯望遠(yuǎn)鏡會通過尋找臭氧的方法來尋找氧氣，但這類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。有些非生命過程也會產(chǎn)生大量氧氣，但同時(shí)會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，意味著它們可以持續(xù)發(fā)光數(shù)千億年甚至數(shù)萬億年，但在開始的幾十億年中它們可能會比太陽還明亮，將可能宜居的行星烤干，恒星青年期過于活躍的耀斑和太陽風(fēng)可能會侵蝕行星的大氣，不過也可能會讓本來過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(bào)，描繪了TRAPPIST-1 e上看到的情景。圖片來源：IoA/Amanda Smith
