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?

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。


