40光年外的迷你太阳系,太阳系外宜居行星

by admin on 2019年5月2日

永利皇宫官网 1这幅艺术想象图,描绘了从TRAPPIST-1f这颗行星附近看到的整个行星系统。需要指出的是,我们目前还没有能力看清行星的模样。图片来源:NASA/JPL-Caltech

永利皇宫官网 2两颗地球大小的行星,绕着40光年以外的一颗红矮星旋转。借助一次罕见的双重凌星现象,哈勃空间望远镜对它们的大气进行了观测,暗示这两颗行星很可能像地球一样由岩石构成——这进一步增强了这两颗行星适宜生命生存的可能性。图片来源: NASA,ESA,以及G.
Bacon (STScI)

(艾麦乐 编译)一年前,天文学家宣布发现TRAPPIST-1行星系,包含7颗类地行星,环绕着一颗温度超低的红矮星运行。这是一项重大的天文学发现,因为这类低质量恒星是银河系里为数最多的恒星,在其中一颗周围发现潜在的宜居行星,让很多人猜测生命可能存在于那里,存在于我们银河系中其他类似的恒星周围。

利用NASA的哈勃空间望远镜,天文学家对温暖的地球大小太阳系外行星的大气层进行了首次探测,并找到了迹象进一步增加了两颗太阳系外行星上适合生命生存的可能性。

永利皇宫官网,这一发现还激励全世界的天文学家进行了许多额外的研究,动用了更多的设备,运行了复杂的模型,以更好地了解这个行星系统,以及它拥有生命的潜力。

确切说来,他们发现距离地球大约40光年的两颗太阳系外行星TRAPPIST-1b和TRAPPIST-1c,不太可能像气态行星那样,拥有以氢气为主的蓬松大气。

如今,一年多过去了,现在是时候来更新一下,关于这个距离地球40光年的行星系统,我们又有了哪些新的认识。

“没有令人窒息的氢-氦气体包层,增加了这些行星适合生命生存的可能性。”科学团队成员、美国太空望远镜科学研究所(STScI)的尼科尔·刘易斯(Nikole
Lewis)说,“如果它们有明显的氢-氦气体包层,那其中的任何一颗就都没有机会维持生命了,因为稠密的大气会起到温室一样的效果。”

更好地了解这一行星系统

在2016年12月到2017年3月之间,执行K2任务的开普勒空间望远镜收集了更多关于TRAPPIST-1的观测数据。开普勒望远镜被设计用于测量太阳系外行星的凌星现象,但即使对这台出色的行星搜寻望远镜来说,观测TRAPPIST-1仍是一项艰巨的挑战,因为TRAPPIST-1在可见光波段非常暗淡。好在,在整个开普勒任务期间,天文学家对这台望远镜的许多性能已经有了深入了解,包括使用更好的办法来提升灵敏度,使得它能够检测到TRAPPIST-1这样的凌星信号(凌星期间恒星变暗的幅度通常为0.1%)。2017年5月发表在《自然》上的一篇文章,对该行星系统中最外侧行星TRAPPIST-1
h的轨道周期作了更精确的限制(周期为18.766天)。他们的研究显示,那7颗行星如预期一般处于一系列复杂的三体共振之中,表明它们的轨道在很长一段时间内都能维持稳定。

请记住,我们并没有真正看见那些行星,只是利用凌星技术检测到了它们的影子,这让我们能够很好地估测行星的大小和轨道。然而,要真正了解一颗行星的本质,我们还需要确定它的密度,也就是质量。为了在多行星系统中估测行星质量,天文学家使用了一种技术,称为凌星计时变化法(TTV)。这种技术涉及到对凌星时刻的细微变化的测量,这些变化是由该行星系统中其他行星的引力相互作用所引起的。利用一套新算法对包含TRAPPIST和K2的一整套观测数据进行分析后,一组科学家已经显著改进了对TRAPPIST-1各颗行星的密度测量结果。这些行星的密度介于地球的0.6到1.0倍之间,与太阳系内类地行星的密度相似。考虑这些行星能够接收到的恒星星光总量,TRAPPIST-1
e大概是其中最类似地球的一颗。2018年2月发表的一篇论文还讨论了这些行星的内部构造,指出TRAPPIST-1
c和e拥有较大的岩石内核,而b、d、f、g应该拥有较厚的大气、海洋或者冰壳。

永利皇宫官网 3TRAPPIST-1行星系,拥有7颗类地行星。过去两年来的研究,让天文学家对这些行星的密度有了更准确的了解。图片来源:NASA/R.
Hurt/T. Pyle

要理解一个行星系统,我们需要准确了解系统中最大的天体,也就是那颗恒星。恒星天文学家已经增进了他们对TRAPPIST-1这颗恒星的认识,估算出它的年龄介于50亿到100亿年之间,发现它要比太阳更加古老。这一估算的基础建立在多种不同的方法之上,包括对恒星活动、自转速率以及这颗恒星在银河系中所处位置的研究。它的质量也被重新修正为太阳质量的9%,这会对行星到恒星的距离估算产生细微的影响。

在观测这一行星系统的过程中,天文学家也检测到了强烈的恒星耀斑爆发。根据哈勃空间望远镜所作的紫外监测和XMM/牛顿望远镜所作的X射线观测,结合计算机模型的模拟显示,内侧的行星或许已经失去了大量的水,但最外侧的几颗行星大概还保留了大部分的水。这些复杂的模型模拟了行星流失气体的过程,以及它们与恒星星风的相互作用,再结合这些行星各自的质量,对于理解TRAPPIST-1行星的性质及其潜在的宜居性至关重要。

天体动力学家也对这个复杂的行星系统产生了兴趣。有7颗行星围绕着一颗低质量的恒星运行,人们可以合理地怀疑这个系统的稳定性。他们的模型证明,这个系统可以在数十亿年内保持稳定。如果想让生命在那里蓬勃发展的话,这是一个极好的消息。

美国麻省理工学院的朱利恩·德维特(Julien de
Wit)带领一个科学家团队,利用哈勃望远镜上的第3代广域照相机,在近红外波段观测了这些行星。他们利用光谱分析解码了星光,揭示出了大气层中化学构成的线索。尽管这些行星的大气层中确切的化学成分仍然未知,还必须等待未来的进一步观测,但氢和氦含量不高已经让科学家兴奋不已。

新的实验和创新思路

现在,我们有了明确的证据证明TRAPPIST-1的行星是存在的,我们还知道它们的轨道、大小和质量,但想要宣称那些行星的表面存在液态水,判断这些行星是否可供生命生存,我们还有太多太多的未知必须要去了解。

计算行星表面温度的关键挑战之一,是要了解它是否拥有大气,大气又如何构成。大气可以起到毯子一样的作用,使行星表面温度升高。使用哈勃空间望远镜,天文学家试图检测TRAPPIST-1
d、e、f、g这4颗行星是否存在富含氢气的大气层。在近红外波段的不同“颜色”范围内对凌星事件所作的观测,排除了d、e和f这3颗行星拥有这种大气层的可能性。氢气为主的大气层会导致行星表面高温高压,与存在液态水相矛盾。没有检测到这样的大气,表明这些行星可能拥有类似地球的大气层。如果你跟我一样,对这些行星是否宜居感兴趣的话,这算是一个好消息。

永利皇宫官网 4如果行星的大气层富含氢气,就像这幅示意图的上半部分所示的那样,哈勃空间望远镜应该能够在观测中发现,不同“颜色”范围内凌星的光变幅度略有差异。而事实上,哈勃没有观测到这样的现象,证明至少3颗行星并不拥有这样的大气层。图片来源:NASA,
ESA and Z. Levy (STScI)

如果生命曾经出现在TRAPPIST-1的某颗当时宜居的行星上,那它扩散到整个行星系统的可能性有多大呢?两位天文学家在2017年6月发表的一篇短文中探讨了这一假设。他们通过一个简单模型来模拟陨石有生源说(lithopanspermia,即通过陨石将生物体从一颗行星转移到另一颗行星),发现TRAPPIST-1系统中发生这种情况的可能性,要比地球和火星之间高出好几个数量级。在更加紧凑的TRAPPIST-1行星系统中,天体更有可能发生碰撞,行星间的转移时间也更短,使得生命在行星之间扩散的可能性更大。他们得出结论认为,TRAPPIST-1中出现生命的可能性会更高。当然,这纯粹是基于物理学考虑而得出的猜测,仍然需要得到观测数据的支持,但这也表明在银河系的其他地方寻找此类紧凑迷你行星系统变得更加重要了。

生命不只可能生存在行星上,也可能生存在卫星上,而且卫星对于生命的存在可能意义重大,因为卫星能够稳定行星的自转轴,并在行星上引发潮汐形成小水池,这对复杂分子的形成和互动可能至关重要。尽管斯皮策空间望远镜有能力检测到跟我们的月亮一样大的卫星,但在TRAPPIST-1那些行星的周围目前还没有检测到任何卫星。理论研究表明,内侧的几颗行星(从b到e)不太可能拥有小卫星,因为它们离恒星和其他行星太近。我们还没能在该行星系统的外侧行星周围发现小卫星,而且如果不使用更大的空间和地面望远镜的话,我们将无法检测到这样的卫星存在。

感应加热是地球上用来熔化金属的一种工艺。当我们改变导体介质中的磁场时,就会出现感应加热现象,通过热量消散能量。天文学家几年前就知道,类似TRAPPIST-1这样的M型恒星拥有强大的磁场。一组天文学家研究了这样一个强磁场,对倾斜于磁场方向的行星系统中内侧行星内部构造的影响。假设那些行星的内部结构和物质构成都类似于地球,他们发现最内侧的3颗行星(b、c、d)应该会经历超强的火山活动和放气过程,在一些极端情况下还会发展出岩浆海和板块构造,以及大规模的地震活动,与太阳系里火山活动最剧烈的木卫一Io相当。需要再次强调的是,这个结果非常依赖于模型,因为我们沿并不清楚这些行星的内部构成,而这又会直接影响感应加热的强度。但是,如果它们的物质构成真跟地球类似,它们就有可能成为地狱版本的地球。

其他科学家也探讨了这个行星系统中存在大型板块构造和强烈地震的可能性,原因则是行星与恒星之间及行星与行星间的相互作用引起的潮汐应力。如果这些活动是真实的,TRAPPIST-1的一部分行星可能确实与地球相似,有着类似的大陆板块、海床和活火山,但是想要证实这一点,有朝一日我们还是需要拍一张照片才行。

“哈勃望远镜的这些初步观测,已经迈出了大有希望的第一步,让我们更加了解这些邻近的世界,是否像地球一样由岩石构成,是否能够维持生命。”NASA科学任务董事会执行副主席杰夫·约德(Geoff
Yoder)说,“对于NASA和太阳系外行星研究来说,这是一个令人激动的时刻。”

接下来的研究方向

我总结了过去两年来,关于TRAPPIST-1这个神奇的行星系统,天文学家发表过的一些新文章。这份清单并不详尽,有可能错过了关于这个复杂行星系统的一些有趣的想法和新的假设。

但有一点是清楚明白的:这些文章让我和许多其他人感到兴奋不已,因为利用更大的望远镜进行后续观测,会给我们带来更多的惊喜。这些望远镜中,既包括地面上的特大望远镜(ELT),也包括太空里的韦布空间望远镜(JWST)。每一台望远镜都是必须的,能够帮助我们限定模型,增进我们对于这个系统的了解。举例来说,用这些设施对这个行星系统进行长期监测,将进一步限制那里是否有卫星存在。利用韦布空间望远镜的精确测光能力,天文学家希望能够更精确地测定这些行星的质量和轨道,探测它们大气层的化学构成,绘制TRAPPIST-1系统中所有行星粗略的温度分布图。

永利皇宫官网 5哈勃望远镜在2002年绘制过粗略的冥王星地图(左图),后来被近距离飞掠冥王星的新视野号拍回的清晰照片(右图)所证实。利用未来的大型望远镜,我们或许能够绘制出TRAPPIST-1系统各颗行星的粗略地图。图片来源:NASA

2020年之后,如果韦布望远镜进展顺利,并且如我们预期一般提供了极好的数据,我们可能会得到TRAPPIST-1各颗行星的粗略地图,就像哈勃空间望远镜绘制过的冥王星地图那样。那张地图的准确性,后来得到了新视野号探测器的证实。

在不到20年的时间里,类似TRAPPIST-1这样的近距离行星系统将成为我们的宇宙后院。如果TESS、PLATO、ARIEL、JWST和ELT这样的项目都能按计划顺利进行的话,我们很快就将揭开那些奇异世界的秘密。我确信,我们会惊讶于它们的多样性,就像我们自己的太阳系过去20年来带给我们的惊讶一样。(编辑:Steed)

这些行星绕着宝瓶座的一颗红矮星旋转,年龄至少有5亿年。它们是在2015年底由TRAPPIST的一系列观测发现的,这是一套比利时的远程自动望远镜,安置在欧洲南方天文台位于智利的拉西拉天文台内。

TRAPPIST-1b绕这颗红矮星旋转一圈需要1.5天,TRAPPIST-1c则需要2.4天。这两颗行星到恒星的距离,介于地球到太阳距离的1/100到1/20之间。由于它们的恒星要比我们的太阳黯淡许多,研究者认为至少其中一颗行星位于这颗恒星的宜居带内,表面温度适合水以液态形式存在,也可能两颗行星都在宜居带中。

5月4日,天文学家抓住了一次罕见的双重凌星现象,前后几分钟内这两颗行星都从那颗恒星前面经过,利用这次机会来测量从任何可能存在的行星大气层中穿透过来的星光。这样的双重凌星每2年才会发生一次,提供了一个叠加的信号,能够同时对这两颗行星的大气特征进行检测。

这些研究者希望利用哈勃望远镜展开后续观测,搜寻更薄一些的大气层,就像地球和金星的大气层一样,由比氢更重的元素构成。

这项研究的第二作者、NASA戈达德航天飞行中心的汉娜·韦克福德(Hannah
Wakeford)说,“有了更多数据,我们或许能在这些大气层里检测甲烷,或者寻找水的特征,这将让我们能够估计大气层的厚度。”

包括NASA韦布空间望远镜(James Webb Space
Telescope)在内的未来望远镜所作的观测,将帮助测定这些行星大气层的完整化学构成,并搜寻潜在的生物标记,比如二氧化碳和臭氧,以及水蒸气和甲烷。韦布望远镜还将分析行星的温度和表面气压——这都是评估行星宜居性的关键因素。

这些行星是SPECULOOS巡天项目发现的第一批地球大小的行星,该项目计划在1000多颗近距离红矮星周围搜寻地于大小的行星。到目前为止,该项目只分析了其中15颗恒星。

“这些地球大小的行星是第一批这样的行星,天文学家利用现有和规划中的未来望远镜就能够细致研究,并测定它们是否适宜生命生存。”德维特说,“哈勃望远镜有能力在大气初步筛选方面起到中心作用,告诉天文学家这些地球大小的行星中哪些更有希望,可供韦布望远镜来作更加细致的研究。”

这项研究的结果7月20日在线发表在《自然》杂志上。(编辑:Steed)

参考文献

  1. Nature (2016)
    |doi:10.1038/nature18641

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