我们或许发现了7颗新行星,但其中会不会有一颗是新的地球?

The galaxy cluster SDSS J1038+4849 is pictured in this undated handout image taken with the NASA/ESA Hubble Space Telescope. As a result of the phenomenon of gravitational lensing, it seems to be smiling. In the case of this "happy face"?, the two eyes are very bright galaxies and the smile lines are actually arcs caused by strong gravitational lensing. Galaxy clusters are the most massive structures in the Universe and exert such a powerful gravitational pull that they warp the spacetime around them and act as cosmic lenses which can magnify, distort and bend the light behind them. This phenomenon, crucial to many of Hubble's discoveries, can be explained by Einstein's theory of general relativity. REUTERS/NASA/Handout via Reuters (OUTER SPACE - Tags: SCIENCE TECHNOLOGY ENVIRONMENT) THIS IMAGE HAS BEEN SUPPLIED BY A THIRD PARTY. IT IS DISTRIBUTED, EXACTLY AS RECEIVED BY REUTERS, AS A SERVICE TO CLIENTS. FOR EDITORIAL USE ONLY. NOT FOR SALE FOR MARKETING OR ADVERTISING CAMPAIGNS - RTR4P1MQ
Scientists have discovered seven Earth-sized planets, so tightly packed around a dim star that a year there lasts less than two weeks.Image: REUTERS/NASA/Handout via Reuters
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科学家发现了七颗与地球大小相当的行星,它们紧密围绕一颗暗淡的恒星运行,以至于那里的一个公转周期不到两周。这些行星的数量以及它们从母星TRAPPIST-1接收到的辐射水平,使这群天体成为我们太阳系的微型对应系统。

围绕TRAPPIST-1的热潮如此之大,以至于这项发现通过一篇发表于《自然》的文章公布,并伴有NASA新闻发布会。过去二十年里,人们已发现近3500颗行星围绕太阳系以外的恒星运行,但大多数并未成为新闻头条。

在这些新世界中,我们真正有多大可能找到一颗像地球这样的蓝色弹珠?

地球2.0?

我们目前仍无法确定这些行星的许多情况,但初步线索颇为诱人。

这七个世界的公转周期都在1.5至13天之间。它们彼此靠得如此之近,以至于站在其中一颗行星上的人,或许会看到天空中的邻近行星显得比我们的月球还大。由于公转周期短,这些行星比任何一颗太阳系行星都更靠近各自的恒星。所幸,TRAPPIST-1极其暗淡,因此这些行星没有被烤焦。

TRAPPIST-1是一颗小型超冷矮星,光度约为太阳的1/1000。在周三的新闻发布会上,《自然》论文的第一作者Michaël Gillon比较了这两颗恒星。他说,如果把太阳缩放到篮球大小,TRAPPIST-1就只有一颗小小的高尔夫球那么大。它产生的热量微乎其微,这意味着TRAPPIST-1的七颗行星中,有三颗实际接收到的辐射量与金星、地球和火星相近。

这个另类太阳系看起来确实像是我们太阳系的紧凑版本,但TRAPPIST-1中有地球2.0吗?

Image: The Conversation

先说好消息。

这七颗“姐妹行星”都与地球大小相当,半径为地球的四分之三至一倍,质量约为地球的50%至150%(最外侧天体的质量仍不确定)。

由于它们都小于地球半径的1.6倍,TRAPPIST-1的七颗行星很可能是岩质世界,而不是气态海王星。TRAPPIST-1d、e和f位于恒星的宜居温带区域,也就是“金发姑娘带”——这里既不太热也不太冷,类地行星可能在表面维持液态水。

六颗内侧行星的轨道几乎处于共振状态,这意味着在最内侧行星绕恒星运行八圈的时间里,其外侧的姐妹行星分别运行五圈、三圈和两圈。

在行星迁离最初形成位置的恒星周围,人们预期会出现这种共振链。当行星仍然年轻、嵌在恒星周围形成行星的气态盘中时,就会发生这种迁移。年轻行星和气体盘的引力彼此牵引,可能改变行星的轨道,通常会使其向恒星移动。

如果系统中有多颗行星,它们的引力也会彼此牵引。这会推动行星在气体盘中迁移时进入共振轨道。结果便是在恒星附近形成一串共振行星,正如围绕TRAPPIST-1运行的行星那样。

在远离恒星的地方诞生,可能带来几项优势。像TRAPPIST-1这样的暗淡恒星在年轻时并不安分,会发出耀斑和高强度辐射,可能使附近行星的表面失去生命。如果TRAPPIST-1系统确实在更远处形成并向内迁移,那么其中的世界或许躲过了灼烧。

在温度更低的地方起源,也意味着这些行星形成时含有大量冰。随着行星向内迁移,这些冰可能融化成海洋。行星密度的估算结果也支持这一观点:它们的密度足够低,暗示其成分富含挥发物,例如水,或拥有厚厚的大气层。

不是地球?

由于我们寻找地外生命时关注的是是否存在水,冰融化形成的世界似乎很理想。

但这实际上可能不利于宜居性。地球表面有71%被海洋覆盖,但水的质量还不到地球总质量的0.1%。水含量比例很高的行星可能会变成水世界:遍布海洋,没有裸露的陆地。

深海还可能意味着海底覆盖着厚厚的冰层。行星的岩石核心与空气和海洋都隔绝,因而无法形成碳硅酸盐循环——这种过程在地球上充当恒温器,调节空气中导致变暖的二氧化碳水平。

如果TRAPPIST-1的行星无法补偿来自恒星的辐射差异,行星的温带区域就会缩窄成一条狭长地带。任何微小变化,从轨道轻微偏心到恒星亮度变化,都可能让世界变成雪球或灼热的沙漠。

即使海洋足够浅,能够避免这种结局,富冰的成分也可能造就一种非常奇特的大气层。在早期地球,火山喷发释放出气体。如果TRAPPIST-1行星的内部更像一颗巨型彗星,而非富含硅酸盐的地球,那么喷出的气体可能富含氨和甲烷这两种温室气体。它们都会在行星表面锁住热量,这意味着液态水的最佳存在区域或许实际上比“金发姑娘带”更冷。

最后,TRAPPIST-1系统的轨道也存在问题。行星离恒星如此之近,很可能处于潮汐锁定状态——始终以同一面朝向恒星——导致一侧永远是白昼,另一侧永远是黑夜。

这种状况不仅体验起来会很奇怪,伴随而来的极端温差也可能使所有水分蒸发,并令大气层坍塌,前提是行星风无法重新分配热量。

此外,即使这些行星看似圆形的轨道只有轻微偏心,也可能产生第二种热量,即潮汐加热,使行星变成类似金星的温室。行星绕恒星运行的路径稍有拉长,恒星引力在一个公转周期中就会时强时弱,像捏握压力球一样使行星不断形变,并产生潮汐热。

木星最大的三颗卫星也会发生这一过程;它们略呈椭圆的轨道由类似TRAPPIST-1行星的共振轨道造成。在木卫二和木卫三,形变产生的热量使地下液态海洋得以存在。但木星最内侧的卫星木卫一,是太阳系中火山活动最频繁的天体。

如果TRAPPIST-1行星的轨道也有类似的弯曲,它们最终可能会热得难以忍受。

从这里看

那么,我们究竟怎样才能知道TRAPPIST-1的行星到底是什么样子?要探究各种可能情形,我们需要观察TRAPPIST-1姐妹行星的大气层。

TRAPPIST-1的名称来自智利的比利时60厘米口径TRAnsiting Planets and Planetesimal Small Telescope(凌日行星与微行星小型望远镜),该望远镜探测到了这颗恒星的首批三颗行星,时间是去年(它也恰好是一种比利时啤酒的名称)。顾名思义,最初发现的三个世界和新发现的四颗姐妹行星,都是利用凌星法发现的;行星从恒星与地球之间经过时,星光会略微变暗。

凌星现象使这些行星成为下一代望远镜的绝佳观测对象,因为当星光穿过行星大气中的气体时,望远镜能够识别其中的分子。因此,未来五年或许会让我们首次真正观测到一颗岩质行星,它的历史与太阳系中的任何天体都截然不同。

NASA科学任务理事会副局长Thomas Zurbuchen称,发现TRAPPIST-1是“向回答‘我们是否孤独?’迈出的一大步”。

但TRAPPIST-1真正的宝藏,并不在于这些行星可能与我们称为家园的地球一模一样,而在于一个令人兴奋的想法:我们或许正在看到一个全新的事物。

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