有“岩”又含水 - 带你探索TRAPPIST-1行星系统的神奇世界

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作者 : Nola Taylor Redd, space.com撰稿人

编译 : 王茸

校对 : 杨伯顺 王婧彧

关于TRAPPIST-1系统中7颗行星的艺术想象图。

其中大多数行星富含挥发性物质(诸如水)。

图片来源: M. Kornmesser/欧南台

最新研究结果表明, 围绕超低温红矮星TRAPPIST-1运行的7颗行星多由岩石组成，其中某些行星可能拥有比地球更多的液态水。

科学家们最近公布了这个密集行星系统中各行星的密度，测量结果比以往更为精确。研究还发现某些行星的液态水含量最高达到自身质量的5%, 约为地球海洋质量的250倍。

瑞士伯尔尼大学的系外行星学家Simon Grimm在一封写给space.com的邮件中表示：“所有TRAPPIST-1系统中的行星都和地球非常类似, 比如都拥有固态核与大气层。” 他和他的研究团队精确模拟出了这7颗行星的密度。

近邻星系中有7颗类地行星被发现

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先讲个坏消息: 我们真的没有发现外星人…..但是….咳咳咳….我们发现了迄今为止最不可思议的行星系统！ 关于这个行星系统, 有5个惊人的事实:

1. TRAPPIST-1系统有7颗类似地球大小的行星；

2. 从地球的角度看，这7颗行星在公转时刚好都会经过红矮星TRAPPIST-1的前方；

3. 至少内侧的6颗行星可能是类似地球的岩石结构；

4. 其中3颗可能拥有液态水海洋；

5. 欧南台未来的欧洲极大望远镜(European Extremely Large Telescope)将有能力探测到水。试想未来的某一刻，我们在其中一颗行星上发现了生命……

除了缩小这些系外行星的成分分析范围, 研究者们还发现了其中一颗行星，即TRAPPIST-1e，甚至拥有一些我们非常熟悉的地球特征。Simon Grimm说:“TRAPPIST-1e这颗行星拥有和地球最接近的质量、半径以及接收到的恒星辐射能量。”

一个特别的行星系统

2016年，天文学家通过智利的TRAPPIST望远镜观测到了围绕暗星TRAPPIST-1公转的3颗行星。（译者注: TRAPPIST望远镜全称为Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope, 即侦测凌星行星与微行星小型望远镜，也称特拉普斯特望远镜, 坐落在智利，但由比利时列日大学远程操控。）随后不到一年, NASA就宣布其发现了多达7颗行星。这些系外行星轨道均在其恒星的宜居带内。所谓宜居，指的是液态水可以在行星表面存在。迄今为止，在所有已发现的单恒星系的宜居带中，TRAPPIST-1拥有的岩石结构行星数量是最多的，而它距离地球仅40光年！

Simon Grimm和同事们对这个行星系统产生了强烈的好奇心, 并决定用凌星时长变化法(transit-timing variations,简写为TTVs)来测量这个系统。在我们的视角观测，一颗行星越过其中心恒星表面的时间会有微小变化，称为凌星时长变化, 通过研究这些时间变化数据, 研究者们可以对行星质量以及密度进行最精确的观测。Simon Grimm 表示:“ 凌星时长变化法是目前唯一可用来确定像TRAPPIST-1这样的行星系统的质量和密度的方法。”

TRAPPIST-1周围的7颗行星可能富含水

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在这个邻近我们的行星系中，天文学家发现了一些有趣的事情…..那就是…它们可能有很多…很多….很多的水! 2017年，有7颗行星被发现围绕超低温的红矮星TRAPPIST-1公转。现在，科学家发现其中一些行星可能拥有高达地球海洋总质量250倍的液态水! 这7颗行星中的老四,也就是TRAPPIST-1e, 是所有已知系外行星中和地球有着最为接近的大小、密度和辐射吸收量的星球。无论这些水存在于潮湿的云层，还是在海洋里，亦或在冰层中，这7颗距离我们仅有40光年的星球，都有可能是生命的温床。

Simon还说明了为什么其他方法不适用于测量，是因为这些行星太轻或者中心恒星太暗淡。凌星时长变化法允许研究者通过恒星的质量来测算行星的质量。结合行星通过恒星时测得的半径, 研究者们就可以测算出每一颗行星的密度了。

研究者主要通过NASA的斯皮策空间望远镜，以及欧南台建在智利的一些观测仪器，进行细致观测，以揭示这些行星运行时的细微变化。

如果仅有一颗行星围绕其恒星公转，那么这颗恒星就是行星的唯一引力源。但当一个行星系统包含两颗或者更多的行星时，行星的运行将受到多重引力影响，彼此之间的牵曳力与质量有关。其位移大小取决于各行星的质量、彼此的距离以及其他轨道参数。

在类似TRAPPIST-1这种密集的行星体系里，每一颗行星都与它的邻居发生着引力作用，这为梳理出单一行星所受的引力带来了更大的挑战。但TRAPPIST-1的行星受力相对容易测量，因为它们同步运行, 形成了一条连接7颗行星的共振链，从而进行了缓慢平和的受力演化。Simon Grimm也表示TRAPPIST-1系统之所以特殊，就是因为所有的行星都处于围绕Trappist-1的共振轨道。

超冷红矮星和7个子女

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TRAPPIST-1距离地球只有40光年，这颗超冷红矮星仅比木星大一点点。2016年初，天文学家利用在智利的一个小小的机器人望远镜发现了围绕TRAPPIST-1的第一颗行星。在随后的观测中，一共有7颗行星被发现。天文学家通过观测行星掠过恒星表面时产生的光度变化来研究整个TRAPPIST-1系统。观测动用了地面和空间望远镜，包括欧南台在智利的甚大望远镜以及NASA的斯皮策空间望远镜。观测结果举世瞩目，这7颗行星有着和地球大小与温度类似的特征。靠近恒星的6颗行星也极有可能具有岩石结构。尽管这7颗行星距离母星很近，但能量散失很低，这就意味着接受的光照接近金星、地球以及火星。气候模拟表明，最内侧的3颗行星所拥有的水有可能已经蒸发或者只剩下一点点，最远端的行星上的水又有可能结冰。剩余的3颗因为处于宜居带内，成为行星猎人们的珍宝。

令人激动的是，这意味着它们表面可能拥有液态水海洋。TRAPPIST-1系统凭借着这些发现成为宜居带行星研究的重点对象。借助新一代天文望远镜，比如欧南台的欧洲极大望远镜和NASA的詹姆•斯韦伯望远镜，天文学家可以观测这些行星大气层中水以及中可能存在的生物化学信号的迹象。TRAPPIST-1在我们银河系中很普遍，很多行星系都有可能拥有地球大小的行星。人类寻找地外生命的旅程或许将在类TRAPPIST-1的行星系统中取得重大进展。

图片来源: 欧南台

Simon Grimm采用了一种他曾用来计算行星轨道的模拟方法，进行这次凌星时长变化分析。观测了200多次凌星之后，他的团队对这些行星的质量和密度进行建模，模拟这些行星的轨道并一次次进行调整，直到最后模拟星系的凌星数据与实际观测相符。

研究者们发现这些行星的密度介于地球密度的0.6至1倍之间。 7颗行星均富含水，其中一些星球的水含量达到了其质量的5%。相比而言，地球所含有的水重量仅占地球质量的0.02%。

图片来源: NASA

最内侧的两颗行星，TRAPPIST-1b与c，很有可能拥有岩石地核以及比地球厚的大气层。由于靠近恒星，这两颗最热的行星可能穿着又厚又潮的大气层外衣，而最远的那颗行星可能会有一层冰外壳。

图片来源: NASA

7颗行星中最轻的莫过于TRAPPIST-1d，仅重地球质量的30%。厚厚的大气层，海洋或者冰层都可能是导致它如此轻盈的原因。

图片来源: NASA

TRAPPIST-1f, g和h这三颗行星由于远离母星，表面的水可能以冰的形式存在。稀薄的大气层中有可能缺乏地球上存在的重分子。

接下来就是和地球特征最接近的行星: TRAPPIST-1e. 作为唯一一颗比地球密度略高的行星，TRAPPIST-1e很有可能拥有一个密度更高的铁核, 缺少厚厚的大气层、海洋或者冰层。

图片来源: NASA

(译者注: TRAPPIST-1e看起来和地球真的很相像… )

与此同时，研究者也提醒读者们：这些发表在《天文学与天体物理学》期刊 （Astronomy & Astrophysics）上的新成果，并不能直接证明行星的可居住性。然而，通过使科学家们更好地理解这个拥挤的行星系统的内部状况，有助于他们探知这些行星是否可以支持生命存活。