Nature:新发现7个临近的类地行星,十年内可研究其生命迹象-阿里云开发者社区

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Nature:新发现7个临近的类地行星,十年内可研究其生命迹象

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一个包含NASA在内的国际合作团队在距离地球40光年的恒星周围发现7个与地球大小相当的行星,其中3个位于宜居带内。或许在十年内,我们就能探明它们表面存不存在生命。

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艺术家笔下的TRAPPIST-1及其7个行星。TRAPPIST-1是一颗温度极低(作为恒星而言)的矮星,科学家猜测这个恒星系统中可能存在大量的水,因此画家在行星轨道间由内到外分别画上了氤氲的水汽、盈盈的水滴和晶莹的冰霜,与它们距离恒星的远近相对应。图片来源:NASA, R. Hurt, T. Pyle


今天,我们的地球又增加了几个好伙伴——北京时间2017年2月23日凌晨2点,天文学家宣布,在距离地球40光年的一颗恒星周围发现了7颗与地球大小相当的类地行星,其中3颗位于宜居带内。我们知道,一颗与地球类似的行星必须拥有岩质表面,还得位于距离恒星既不太近又不太远的宜居带内,受到与地球差不多的光照。在此基础上,如果它还拥有既不太稠密也不过于稀薄的大气,那么它就可能拥有温和的气候,容许液态水存在并累积成湖泊甚至海洋。统计数据表明,我们银河系中满足这些标准的行星可能有数十亿个,但目前科学家观察到的不过十来个。

不过,今天这个数字又增加了。新观察到类地行星所围绕的恒星位于水瓶座,被称为TRAPPIST-1,它有3颗行星位于宜居带内,而其他4颗行星在大气条件合适的情况下也可能存在液态水和生命。论文以封面文章的形式发表在了2月23日的《自然》(Nature)杂志上。这7颗恒星的大小、质量和成分都与地球非常相似,科学家暂时按照轨道从内到外的顺序将它们命名为TRAPPIST-1 b, c, d, e, f, g与h,不过这些只是临时代号,因为科学家接下来将会详细研究它们,自然会给它们取新的名字。恒星TRAPPIST-1离地球如此之近,它所拥有的类地行星又如此之多,因此它必将成为宜居行星搜寻的必经之路。有乐观的科学家认为,在十年之内,我们或许就能在它周围找到系外生命的存在证据。


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论文以封面文章的形式发表在了2月23日的《自然》(Nature)杂志上。图片来源:Nature

恒星TRAPPIST-1之所以如此命名,是因为它在一个被称为TRAPPIST的系外行星搜寻计划中被发现的。TRAPPIST由比利时列日大学所领导,为了纪念比利时特产的修道院啤酒(trappist)而特意给这项研究计划强行凑了这个名字(TRAnsiting Planets and Planetesimals Small Telescope),凌星行星与星子搜寻小型望远镜,你们懂的,天文学家在起名字方面比较喜欢瞎胡闹)。列日大学的天文学家Michaël Gillon激动地表示:“从此,我们能研究的类地行星不再只有太阳系内的水星、金星、地球和火星,又多了7个……或许马上就能回答那个存在已久的哲学问题:宇宙中有多少星球能诞生生命?”

这一激动人心的重大发现首先诞生在2015年9月,当时TRAPPIST团队在这个恒星系统中找到了3个行星,但隐隐约约好像看到还有别的行星隐没在周围。为了看清它们,TRAPPIST团队寻求了其他天文望远镜的帮助,其中就包括NASA的斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope),后者在2016年9月到10月间花了20个整天来观测以收集更多的数据信息,最终于2016年10月27日又发现了4颗另外的行星。当然啦,为了庆祝TRAPPIST计划发现TRAPPIST-1恒星的类地系外行星,TRAPPIST团队自然是喝了很多trappist(修道院啤酒)。


TRAPPIST-1长什么样?超小的恒星,朦胧的世界

作为一颗恒星,TRAPPIST-1是很小的,它不比木星大多少,不过质量是木星的80倍。它的年龄可能在5亿年到几十亿年之间,这种恒星被天文学家称为超冷M矮星(ultracool M dwarf),是所有恒星中最小、最暗、最冷的。我们的太阳被称为G矮星,它比M矮星大12.5倍,亮2000倍,数量也只有M矮星的20分之一——我们宇宙比较“青睐”小型恒星。TRAPPIST-1最靠内的行星是TRAPPIST-1 b,它的轨道周期只有1.5天,而最外面的行星TRAPPIST-1 h轨道周期约为20天,比水星离太阳的距离还近。科学家认为,像TRAPPIST-1的这种恒星-行星系统可能在我们的宇宙中占主流,而我们太阳系反而是个例外。

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TRAPPIST-1的7颗行星的轨道周期与质量对比

科学家探测到这7颗恒星的方式,是观察它们“凌星”的过程。既然它们都围绕着恒星运转,那么当它们越过其恒星表面,留下阴影时,在地球上就能够看到恒星亮度下降的现象。恒星亮度下降的程度可以帮助科学家确定行星的大小,而亮度变化的周期则可以帮助科学家确定行星的轨道周期与它距离恒星的远近。而对于TRAPPIST-1系统而言,有7颗行星共同围绕一个恒星运动,它们之间不可避免就会产生相互作用,使每颗行星的凌星运动发生可测量的偏移。TRAPPIST团队成员、麻省理工学院助理研究员Julien de Wit说:“通过这种偏移,我们就能推算行星的质量,知道了行星的大小和质量,我们就能计算出它们的体密度,地质学家据此就可以推断出它们的内部构成。”根据这些测量结果,TRAPPIST团队推算出,这7颗行星的密度都与地球相似,它们要么由岩石组成,要么由金属内核、岩石与外面包裹的水、冰和气体构成。

TRAPPIST计划的合作者、剑桥大学天文学家Amaury Triaud说,站在中间的某一颗行星的角度看,TRAPPIST-1看起来应该是一个橘色的天体,大小比从地球上看的太阳大10倍,但亮度只相当于日出日落时的太阳。它的光主要以红外线的形式照射到行星上,给行星带来温暖。每隔一段时间临近的行星就会越过天空,最近的一颗看起来可能有地球上看月亮的两倍大,但恒星的位置是不动的——因为TRAPPIST-1系统中行星离恒星太近,所以行星与恒星之间都是潮汐锁定的,即行星永远都以同一面朝向恒星,另一面则常年处于黑暗之中。研究人员曾以为潮汐锁定的行星上不可能存在生命,但如今他们认为,只要行星表面有大气气流,就能在面向恒星与背向恒星的两个半球之间交换热量,而只要TRAPPIST-1行星的表面有大气,就很可能存在气流。


在“新地球”上寻找生命

Gillion和同事们已经用哈勃望远镜观测了TRAPPIST-1 b和TRAPPIST-1 c,研究它们表面是否存在厚厚的以氢气为主的大气层,并排除了这种可能。他们目前还在寻找水蒸气。如果用预计于明年升空的詹姆斯·韦伯望远镜更仔细地观察这个系统,收集每个行星20到30个凌星数据,或许就能知道这些行星表面是否存在对生命的诞生至关重要的几种大气成分。

韦伯望远镜也能看到水蒸气,但它的功能比哈勃更为强大,甚至足以判断行星表面是否存在全球性的海洋,同时还能分析行星表面二氧化碳的含量,以估测温室效应,推算行星表面的平均温度。它还能在行星表面搜寻臭氧,这是光合作用植物产生氧气时的副产物,以及甲烷——甲烷与氧气共存时是不稳定的,因此如果它们同时出现,就意味着有源头在不断产生这两种气体。Gillon说:“如果在一个地方同时有二氧化碳、水、氧气和甲烷,就只有一个解释——生命。”

不过,事情可能不会像Gillon说的这么容易。哈佛大学的行星科学家David Charbonneau说:“为了寻找氧气,并确定它的浓度,测量光学波长是首选的方法,但恒星TRAPPIST-1本身发出的光非常弱,更不用说在凌星时穿过行星大气层的光了。”韦伯望远镜会通过寻找臭氧的方法来寻找氧气,但这类测量可能不足以确定氧气浓度,以找出其源头。

氧气浓度对于了解行星表面的真实情况至关重要。有些非生命过程也会产生大量氧气,但同时会让行星完全不适合生命居住。M矮星燃烧核燃料的速度非常缓慢,意味着它们可以持续发光数千亿年甚至数万亿年,但在开始的几十亿年中它们可能会比太阳还明亮,将可能宜居的行星烤干,恒星青年期过于活跃的耀斑和太阳风可能会侵蚀行星的大气,不过也可能会让本来过于稠密浓厚的大气层变得更薄、更宜居。


除了寻找生命之外,还有研究意义

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艺术家绘制的海报,描绘了TRAPPIST-1 e上看到的情景。图片来源:IoA/Amanda Smith

华盛顿大学行星科学家Rory Barnes认为:“现实地说,用韦伯望远镜来观测TRAPPIST-1系统,最大的意义可能在于它能帮助我们了解潮汐效应对大气的影响,尤其是对内行星而言,这类影响可能是极大的。”NASA戈达德太空飞行中心的行星科学家Shawn Domagal-Goldman则说:“搜寻生命当然重要,但我们也要意识到TRAPPIST-1系统还有更多潜在的研究价值。关于这类矮星周围的行星上能否存在生命,我们已经讨论了多年——上面有没有海洋啦,‘生命指标’长啥样啦,而TRAPPIST-1系统正好给我们提供了一个理想的平台,可以在短期内检验所有这些设想。”

Gillon也认同这一观点。他说:“我们不仅会将这些行星与地球和我们太阳系中的其他行星相比较,也会在它们之间互相比较。它们必然诞生于同一个吸积盘,但距离恒星的远近不同,其化学反应与大气状况也不相同。分析这些行星表面的大气,可以帮助我们了解它们形成的历史,进一步也能促进我们理解太阳系的形成过程。”

原文发布时间为:2017-02-24

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