Nature：新發現7個臨近的類地行星，十年內可研究其生命跡象

一個包含NASA在內的國際合作團隊在距離地球40光年的恆星周圍發現7個與地球大小相當的行星，其中3個位於宜居帶內。或許在十年內，我們就能探明它們表面存不存在生命。

撰文 《科學美國人》編輯李·比林斯（Lee Billings）

編譯 丁家琦

審校 韓晶晶

藝術家筆下的TRAPPIST-1及其7個行星。TRAPPIST-1是一顆溫度極低（作為恆星而言）的矮星，科學家猜測這個恆星系統中可能存在大量的水，因此畫家在行星軌道間由內到外分別畫上了氤氳的水汽、盈盈的水滴和晶瑩的冰霜，與它們距離恆星的遠近相對應。圖片來源：NASA, R. Hurt, T. Pyle

今天，我們的地球又增加了幾個好夥伴——北京時間2017年2月23日凌晨2點，天文學家宣布，在距離地球40光年的一顆恆星周圍發現了7顆與地球大小相當的類地行星，其中3顆位於宜居帶內。我們知道，一顆與地球類似的行星必須擁有岩質表面，還得位於距離恆星既不太近又不太遠的宜居帶內，受到與地球差不多的光照。在此基礎上，如果它還擁有既不太稠密也不過於稀薄的大氣，那麼它就可能擁有溫和的氣候，容許液態水存在並累積成湖泊甚至海洋。統計數據表明，我們銀河系中滿足這些標準的行星可能有數十億個，但目前科學家觀察到的不過十來個。

不過，今天這個數字又增加了。新觀察到類地行星所圍繞的恆星位於水瓶座，被稱為TRAPPIST-1，它有3顆行星位於宜居帶內，而其他4顆行星在大氣條件合適的情況下也可能存在液態水和生命。論文以封面文章的形式發表在了2月23日的《自然》（Nature）雜誌上。這7顆恆星的大小、質量和成分都與地球非常相似，科學家暫時按照軌道從內到外的順序將它們命名為TRAPPIST-1 b, c, d, e, f, g與h，不過這些只是臨時代號，因為科學家接下來將會詳細研究它們，自然會給它們取新的名字。恆星TRAPPIST-1離地球如此之近，它所擁有的類地行星又如此之多，因此它必將成為宜居行星搜尋的必經之路。有樂觀的科學家認為，在十年之內，我們或許就能在它周圍找到系外生命的存在證據。

論文以封面文章的形式發表在了2月23日的《自然》（Nature）雜誌上。圖片來源：Nature

恆星TRAPPIST-1之所以如此命名，是因為它在一個被稱為TRAPPIST的系外行星搜尋計劃中被發現的。TRAPPIST由比利時列日大學所領導，為了紀念比利時特產的修道院啤酒（trappist）而特意給這項研究計劃強行湊了這個名字（TRAnsiting Planets and Planetesimals Small Telescope，凌星行星與星子搜尋小型望遠鏡，你們懂的，天文學家在起名字方面比較喜歡瞎胡鬧）。列日大學的天文學家Micha?l Gillon激動地表示：「從此，我們能研究的類地行星不再只有太陽系內的水星、金星、地球和火星，又多了7個……或許馬上就能回答那個存在已久的哲學問題：宇宙中有多少星球能誕生生命？」

這一激動人心的重大發現首先誕生在2015年9月，當時TRAPPIST團隊在這個恆星系統中找到了3個行星，但隱隱約約好像看到還有別的行星隱沒在周圍。為了看清它們，TRAPPIST團隊尋求了其他天文望遠鏡的幫助，其中就包括NASA的斯皮策太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope），後者在2016年9月到10月間花了20個整天來觀測以收集更多的數據信息，最終於2016年10月27日又發現了4顆另外的行星。當然啦，為了慶祝TRAPPIST計劃發現TRAPPIST-1恆星的類地系外行星，TRAPPIST團隊自然是喝了很多trappist（修道院啤酒）。

TRAPPIST-1長什麼樣？超小的恆星，朦朧的世界

作為一顆恆星，TRAPPIST-1是很小的，它不比木星大多少，不過質量是木星的80倍。它的年齡可能在5億年到幾十億年之間，這種恆星被天文學家稱為超冷M矮星（ultracool M dwarf），是所有恆星中最小、最暗、最冷的。我們的太陽被稱為G矮星，它比M矮星大12.5倍，亮2000倍，數量也只有M矮星的20分之一——我們宇宙比較「青睞」小型恆星。TRAPPIST-1最靠內的行星是TRAPPIST-1 b，它的軌道周期只有1.5天，而最外面的行星TRAPPIST-1 h軌道周期約為20天，比水星離太陽的距離還近。科學家認為，像TRAPPIST-1的這種恆星-行星系統可能在我們的宇宙中佔主流，而我們太陽系反而是個例外。

TRAPPIST-1的7顆行星的軌道周期與質量對比

科學家探測到這7顆恆星的方式，是觀察它們「凌星」的過程。既然它們都圍繞著恆星運轉，那麼當它們越過其恆星表面，留下陰影時，在地球上就能夠看到恆星亮度下降的現象。恆星亮度下降的程度可以幫助科學家確定行星的大小，而亮度變化的周期則可以幫助科學家確定行星的軌道周期與它距離恆星的遠近。而對於TRAPPIST-1系統而言，有7顆行星共同圍繞一個恆星運動，它們之間不可避免就會產生相互作用，使每顆行星的凌星運動發生可測量的偏移。TRAPPIST團隊成員、麻省理工學院助理研究員Julien de Wit說：「通過這種偏移，我們就能推算行星的質量，知道了行星的大小和質量，我們就能計算出它們的體密度，地質學家據此就可以推斷出它們的內部構成。」根據這些測量結果，TRAPPIST團隊推算出，這7顆行星的密度都與地球相似，它們要麼由岩石組成，要麼由金屬內核、岩石與外面包裹的水、冰和氣體構成。

TRAPPIST計劃的合作者、劍橋大學天文學家Amaury Triaud說，站在中間的某一顆行星的角度看，TRAPPIST-1看起來應該是一個橘色的天體，大小比從地球上看的太陽大10倍，但亮度只相當於日出日落時的太陽。它的光主要以紅外線的形式照射到行星上，給行星帶來溫暖。每隔一段時間臨近的行星就會越過天空，最近的一顆看起來可能有地球上看月亮的兩倍大，但恆星的位置是不動的——因為TRAPPIST-1系統中行星離恆星太近，所以行星與恆星之間都是潮汐鎖定的，即行星永遠都以同一面朝向恆星，另一面則常年處於黑暗之中。研究人員曾以為潮汐鎖定的行星上不可能存在生命，但如今他們認為，只要行星表面有大氣氣流，就能在面向恆星與背向恆星的兩個半球之間交換熱量，而只要TRAPPIST-1行星的表面有大氣，就很可能存在氣流。

在「新地球」上尋找生命

Gillion和同事們已經用哈勃望遠鏡觀測了TRAPPIST-1 b和TRAPPIST-1 c，研究它們表面是否存在厚厚的以氫氣為主的大氣層，並排除了這種可能。他們目前還在尋找水蒸氣。如果用預計於明年升空的詹姆斯·韋伯望遠鏡更仔細地觀察這個系統，收集每個行星20到30個凌星數據，或許就能知道這些行星表面是否存在對生命的誕生至關重要的幾種大氣成分。

韋伯望遠鏡也能看到水蒸氣，但它的功能比哈勃更為強大，甚至足以判斷行星表面是否存在全球性的海洋，同時還能分析行星表面二氧化碳的含量，以估測溫室效應，推算行星表面的平均溫度。它還能在行星表面搜尋臭氧，這是光合作用植物產生氧氣時的副產物，以及甲烷——甲烷與氧氣共存時是不穩定的，因此如果它們同時出現，就意味著有源頭在不斷產生這兩種氣體。Gillon說：「如果在一個地方同時有二氧化碳、水、氧氣和甲烷，就只有一個解釋——生命。」

不過，事情可能不會像Gillon說的這麼容易。哈佛大學的行星科學家David Charbonneau說：「為了尋找氧氣，並確定它的濃度，測量光學波長是首選的方法，但恆星TRAPPIST-1本身發出的光非常弱，更不用說在凌星時穿過行星大氣層的光了。」韋伯望遠鏡會通過尋找臭氧的方法來尋找氧氣，但這類測量可能不足以確定氧氣濃度，以找出其源頭。

氧氣濃度對於了解行星表面的真實情況至關重要。有些非生命過程也會產生大量氧氣，但同時會讓行星完全不適合生命居住。M矮星燃燒核燃料的速度非常緩慢，意味著它們可以持續發光數千億年甚至數萬億年，但在開始的幾十億年中它們可能會比太陽還明亮，將可能宜居的行星烤乾，恆星青年期過於活躍的耀斑和太陽風可能會侵蝕行星的大氣，不過也可能會讓本來過於稠密濃厚的大氣層變得更薄、更宜居。

除了尋找生命之外，還有研究意義

藝術家繪製的海報，描繪了TRAPPIST-1 e上看到的情景。圖片來源：IoA/Amanda Smith

華盛頓大學行星科學家Rory Barnes認為：「現實地說，用韋伯望遠鏡來觀測TRAPPIST-1系統，最大的意義可能在於它能幫助我們了解潮汐效應對大氣的影響，尤其是對內行星而言，這類影響可能是極大的。」NASA戈達德太空飛行中心的行星科學家Shawn Domagal-Goldman則說：「搜尋生命當然重要，但我們也要意識到TRAPPIST-1系統還有更多潛在的研究價值。關於這類矮星周圍的行星上能否存在生命，我們已經討論了多年——上面有沒有海洋啦，『生命指標』長啥樣啦，而TRAPPIST-1系統正好給我們提供了一個理想的平台，可以在短期內檢驗所有這些設想。」

Gillon也贊同這一觀點。他說：「我們不僅會將這些行星與地球和我們太陽系中的其他行星相比較，也會在它們之間互相比較。它們必然誕生於同一個吸積盤，但距離恆星的遠近不同，其化學反應與大氣狀況也不相同。分析這些行星表面的大氣，可以幫助我們了解它們形成的歷史，進一步也能促進我們理解太陽系的形成過程。」

對於麻省理工學院的行星科學家Sara Seager而言，新發現的這個恆星系統必將促進我們對於遙遠的系外行星及其中可能產生的生命的理解。她說：「TRAPPIST-1這顆冷暗的M矮星寄託了我們的希望、渴望和恐懼。我們希望在它周圍的行星上找到水蒸氣，甚至液態水組成的海洋，我們渴望找到生命存在的強力證據，但我們也害怕找到了氧氣卻仍然不知道它是否來自生命，更害怕最終發現所有這些行星上都沒有生命。這幾顆行星的發現之所以讓我們這麼驚喜，不是因為它們現在有多好，而是它們代表著無限可能。M矮星並不是結局，它們僅僅是個開始。」

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