类地行星中的“葫芦七兄弟”和它们的小宇宙 | 赛先生天文

2022-05-31 10:05

广袤的宇宙中，究竟有多少个“地球”？从左至右依次为：开普勒-20e、金星、地球、开普勒-20f，图片来源：NASA Content Administrator

撰文 | 黄硕、Chris Ormel（清华大学）

责编 | 王馨心、吕浩然

“人类在宇宙中是孤独的吗？地球在宇宙中是孤独的吗？”千百年来，人们从未停止对此类问题的思考和探讨。早在16世纪，意大利科学家布鲁诺（Giordano Bruno）在《论无限、宇宙和诸世界》中就提出了对于系外行星的预测，他认为天空中的恒星都像我们的太阳一样，周围也会环绕着行星，而这些行星也可以孕育自己的生命。

1687年，牛顿出版了其划时代的著作《自然哲学的数学原理》，其中提到其它恒星周围类似太阳系一样行星环绕的可能性。此后，系外行星的猜想也开始被越来越多的人所接受，但是人们对行星的认知还仅局限于太阳系内的八大行星。

直到1995年，米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）发现了第一颗围绕在类太阳恒星周围的系外行星。他们这次的发现不仅为人们打开了一个新的领域，也为系外生命的探索迈出了坚定的一步。此后的20多年里，天文学家一共发现了3000多个系外行星系统，共计5000多颗系外行星，它们有着各种各样的轨道、周期，差异之大令人难以置信（图1），多种多样的系外行星的发现也挑战了人们对于行星系统的传统观念。

图1：NASA确认的5000多颗行星，其中4%是类地行星、30%是类木行星（或气态巨行星）、31%是超级地球、35%是类海行星，图片来源：NASA

天文学判断一个星球是否宜居，需要达到至少两个条件：第一，它是类地行星（有着和地球差不多的大小）；第二，处于宜居带中（允许液态水的存在）。然而，绝大多数的系外行星的性质并不满足可宜居的条件，直至今天，潜在的宜居星球依然屈指可数（图2）。

2015年，来自比利时里亚哥大学米歇尔·吉隆（Michaël Gillon）所带领的天体物理学研究团队把一个名为TRAPPIST的望远镜对准在一个距离太阳系39光年的恒星上，利用凌星法在其附近陆续发现了7颗类地行星，这个数字在所有已知恒星系统中是最多的。更令人惊喜的是，其中3-4颗都是宜居星球。这个恒星系统后被命名为TRAPPIST-1行星系统，成为天文学家研究的重点对象。

图2：潜在的宜居星球，图片来源：PHL@UPR Arecibo

39光年之外的“7个地球”

TRAPPIST-1（图3）的年龄已达76亿岁，比我们的太阳还要老，其表面温度约为太阳的一半，仅2560K，质量也只有太阳的9%。由于TRAPPIST-1表面温度比太阳低得多，它的行星宜居带也非常近，七颗行星中的d、e、f和g都处于宜居带之中。TRAPPIST-1的七颗行星轨道也十分紧凑，最外面的行星h到主恒星的距离乘十七倍才是地球到太阳的距离。

要想分辨这颗恒星，就相当于需要一个可以在一米外看清一颗原子的照相机，而想要分辨地球大小的物体则更是难上加难。那么，我们是如何在其附近“看”到行星的呢？

图3：TRAPPIST-1系统中七颗行星示意图，图片来源：NASA/JPL-Caltech

凌星法是一种被广泛使用的、用于寻找系外行星的方法，通过观测目标恒星光度的细微变化，我们可以从其光变曲线中发现系外行星的蛛丝马迹。其原理和日食类似，当一颗系外行星运动到其主恒星和地球之间时，如果三者正好处于一条直线上时，该行星就会挡住一部分其主恒星向地球传播的光。

因此，如果我们看到一个恒星的亮度随时间变化的曲线，周期性地呈现出一个个“凹”形（图4），那么极有可能是其周围的行星所造成的。“凹”形的深度、周期和宽度也就相应地反映了行星的相对大小、轨道周期和轨道倾角。TRAPPIST-1的光变曲线有七个“凹”形的周期性信号，这也说明了该恒星周围有7颗行星。

图4：凌星法示意图，随着行星周期性地掠过主星与地球之间，主星的光变曲线也会发生“凹”型变化，图片来源：Astronomy: Roen Kelly

行星与行星之间存在相互的引力扰动，这种扰动会影响行星的过境时间，使其产生变化。动力学家埃里克·阿戈尔（Eric Agol）通过研究这种微小的变化的特征，得到了行星的质量，测量误差在5%以内。

图5：TRAPPIST-1行星轨道动力学特征和太阳系（下）、木星卫星系统（上）对比，图片来源：NASA/JPL

轨道共振下的“小宇宙”

从上图可以看出，TRAPPIST-1的系统的半径要比太阳系小很多，更深层次的，与太阳系的几颗类地行星不同，研究者们认为TRAPPIST-1的行星在其早期（约70亿年前）的原行星盘里就已经形成了，而后由于行星和原行星盘中物质的引力作用，行星向靠近中心恒星的方向迁移并停留在原行星盘的内边缘。那么，为什么这七个行星没有进一步缩近，最终撞在一起呢？

原来，两个行星在移动到整数轨道周期比的位置时，它们之间的切向引力可以抵消引起行星迁移的力矩，从而捕获他们，以阻止行星间的间距继续缩小，这叫做轨道共振。TRAPPIST-1的七个行星都是共振的（图5），其中每两个邻近天体的周期比约为8:5、5:3、3:2、3:2、4:3、3:2，这是太阳系外行星系统中已知最长的近共振链（同一系统内连续三个及以上的行星都处于轨道共振中）。而我们太阳系也有共振的例子，例如木卫一、木卫二和木卫三轨道的1:2:4共振，以及冥王星和海王星之间的2:3共振。小行星在小行星带也会受到木星的影响，在与木星共振的位置分布相对较少（图6）。

图6：小行星带中的小行星轨道分布，受到质量很大的木星的扰动，处在共振位置的小行星容易被其散射出去，图片来源：NASA/JPL-Caltech

行星的轨道动力学结构等性质保留了行星形成之后在原行星盘里的部分特性，可以据此有效地限制行星形成起源的理论假设、或是为其提供关键性证据。天文学家丹尼尔·塔马约（Daniel Tamayo）领导的团队发现，行星共振使得TRAPPIST-1的七个行星在动力学上更加稳定，这也是TRAPPIST-1的七个行星空间分布紧凑但是却能在76亿年间保持稳定的原因。

来自法国波尔多天体物理实验室的希恩·雷蒙德（Sean Raymond）则选择从另外一个角度看待这个问题：小行星撞击会带来额外的化学成分比如水（地球上的水的来源之一），之所以TRAPPIST-1的共振结构可以稳定存在，是因为来自小行星的撞击并不频繁。因此，TRAPPIST-1行星上的绝大部分水源自原行星盘中的物质。

潮汐锁定下的特殊状态

由于TRAPPIST-1系统的半径非常小，因此恒星的潮汐作用对近距离行星的影响尤为明显，所有7颗行星可能都已被潮汐锁定（即来自主星的潮汐力促使行星的自转周期等于公转周期），就像月球始终只有一面对着地球。由于阳光的照射，行星的白昼一侧的水分不断蒸发，而夜间一侧水分又完全冻结，这并不适宜生命生存。因此，这类行星昼半球与夜半球之间的晨昏圈可能是最适合生命生存的区域。

较强的潮汐作用往往伴随着活跃的地质活动，例如火山喷发，这会额外加热TRAPPIST-1的行星。考虑到这种因素，TRAPPIST-1的宜居带可能会延伸至TRAPPIST-1h。其他因素，包括海洋和植被的存在、陆地表面的反射特性、大陆和海洋的结构、云和海冰动力学等，都可能会影响到宜居带的位置。

为什么7颗行星长得基本一样？

在对七颗行星的质量进行精确测量之后，结合通过凌星法得到的行星半径特征，便可以得到行星的密度（图7）。至此，我们可以简要总结以下两点关键的行星特征：第一，七颗行星的密度大致相同；第二，他们的密度与地球相比稍低一些。说到这里，TRAPPIST-1这个“小宇宙”又与太阳系差别很大：区别于太阳系各不相同的八颗行星，为什么它们展现如此高度的相似性？一种自然的解释是，他们具有相似的形成机制，就像一个藤蔓结下的葫芦七兄弟（PS：不分颜色和能力，起码大小长相差不多）。

图7：TRAPPIST-1行星与太阳系类地行星（图中篮圈）对比，图片来源：NASA/JPL-Caltech

清华大学克里斯·奥默尔（Chris Ormel）教授很快发现行星在水的雪线附近的成长模型可以很好的解释这些特性。在现在的太阳系里，雪线（约5地日距离）之外的水蒸气会凝结成冰，仅此而已，而在早期行星开始形成的原行星盘中，水的雪线附近却是行星成长的“肥沃土壤”，小到毫米量级的尘埃或卵石，大到千米量级的星子皆可作为“肥料”在此聚集，并且这些“肥料”包含了大量的水。经过星子间相互碰撞或行星对卵石的吸积，行星迅速“粘合”“长大”到类地行星的体型，并且自身引力大到足够和原行星盘相互作用，进而脱离雪线向主恒星方向迁移。

此外，行星一旦离开了雪线这块“土地”，成长的速度就会大大降低。随着前一颗行星的“成熟”和离开，另一颗行星开始以类似的成长机制汲取雪线附近的“养分”，等到成熟之后又以同样的方式迁移开。就这样，七颗行星相继以类似的方式形成、并长大到地球大小之后，又相继向内迁移。

在原行星盘消散之后，来自恒星的短波光子（XUV）会蒸发其周围行星的水分，所以行星越靠近主恒星，其水分丢失就越严重，例如TRAPPIST-1b 和TRAPPIST-1c。

图8：雪线吸积模型，虚线代表原行星盘中的雪线，图片来源：Djoke Schoonenberg

那么，目前这几颗行星里究竟有多少水呢？想要准确地回答这个问题，我们需要实地的地质勘测。然而，尽管TRAPPIST-1距离地球相对较近（天文尺度上），但人类即使是以光速运行的星际探测器也需要将近40年才能到达这颗恒星，使用现代火箭和引力弹弓的航天器则需要几十万年。

光谱探测——追寻生命的足迹

TRAPPIST-1的七颗行星与地球究竟有多相似？其表面到底有没有水的存在？虽然它们展现了诸多宜居的特征，但这些问题目前也并没有定论。“我们可以对这些行星的大气和成分进行研究，评估它们是否真的宜居。”麻省理工学院天文学家朱利安·德·维特（Julien de Wit）说道，“这些都是可以实现的，并且是我们触手可及的。如果我们获得成功，就等于赢得了这一领域的头奖。”

TRAPPIST-1距离地球相对于其它潜在的可宜居星球较近，是做大气成分测定的不二之选。假设TRAPPIST-1的行星大气中存在温室气体，例如水蒸汽，其经过主恒星时就会在光谱的近红外波段产生吸收线。因此，我们需要一个高精度的红外探测器来分析TRAPPIST-1行星的凌日光谱。

图10：詹姆斯·韦伯（JWST）望远镜示意图，图片来源：NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

幸运的是，2021年12月，詹姆斯·韦伯太空望远镜（图10）在法属圭亚那库鲁基地成功发射升空，2022年1月24日，望远镜到达了既定的空间位置，目前还处于望远镜调试阶段。

在不久的将来，通过詹姆斯·韦伯太空望远镜与欧洲极大望远镜等望远镜的联合观测，天文学家预期将可观测到行星大气层内的温室气体成分，更精准地推测系外行星表面状况，或许还可以侦测到大气层内的臭氧与甲烷等允许生命存在的化学环境特征。TRAPPIST-1目前是系外行星大气探测的最热点话题和首要目标之一，随着这些观测任务的不断推进，我们必将迎来研究系外行星大气的热潮。

宇宙中，类似TRAPPIST-1的低质量恒星还有许多。无数个类似TRAPPIST-1的行星系统，更多的处于宜居带内的行星等待着我们去发现。人类是否是孤独的？地外生命是什么样子的？或许在不远的将来，这些问题都将得到解答。

作者简介：

· 黄硕，清华大学天文系博士，研究方向为系外行星。

· 克里斯·奥默尔（Chris Ormel），清华大学天文系教授。研究领域是行星形成，集中在利用各种数值和分析工具，了解原行星盘的结构以及系外行星种群的性质。

参考文献：

[1] “系外行星研究：寻找另一个地球”，作者：刘玉娟，《中国科学报》

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/11/351454.shtm?id=351454

[2] Gillon, M. et al., Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1, 2017, Nature, 542, 456

[3] Ormel, C.W. et al., Formation of TRAPPIST-1 and other compact systems, 2017, Astronomy & Astrophysics, 604, A1

[4] Barstow, J.K., Irwin, P.G.J., Habitable worlds with JWST: transit spectroscopy of the TRAPPIST-1 system?, 2016, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 461, L92-L96

[5] Tamayo, D. et al. Convergent migration renders TRAPPIST-1 long-lived, 2017, The Astrophysical Journal Letters, 840, L19

[6] Raymond, S.N. et al., An upper limit on late accretion and water delivery in the Trappist-1 exoplanet system, 2022, Nature Astronomy, 6, 80-88

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