神秘的系外行星系統(tǒng)

宇宙中有一種質(zhì)量很小的恒星名為“紅矮星”，它們的溫度很低，質(zhì)量?jī)H為0.08～0.6個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。例如這顆名為“特拉比斯特-1”的紅矮星，它是人們迄今已知的最小的紅矮星之一。它的質(zhì)量為太陽(yáng)的8.9%；直徑為84180千米，僅相當(dāng)于太陽(yáng)直徑的6%；表面溫度為2237℃，約是太陽(yáng)表面溫度的40%。

“特拉比斯特-1”不僅是一顆恒星，也是一個(gè)以“特拉比斯特-1”為中心恒星的系外行星系統(tǒng)。2016 年，科學(xué)家使用“凌星行星和星子小型望遠(yuǎn)鏡”發(fā)現(xiàn)了這個(gè)行星系統(tǒng)。“凌星行星和星子小型望遠(yuǎn)鏡”由兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成，其中一臺(tái)位于智利的拉西拉天文臺(tái)，另一臺(tái)位于摩洛哥的歐凱梅登天文臺(tái)。

“凌星行星和星子小型望遠(yuǎn)鏡”利用凌星現(xiàn)象尋找系外行星。當(dāng)系外行星經(jīng)過(guò)地球和恒星之間時(shí)，天文學(xué)家會(huì)發(fā)現(xiàn)行星阻擋了一些恒星的光線，這就是“凌星現(xiàn)象”。凌星時(shí)，行星阻擋的光量能顯示行星的個(gè)頭，而發(fā)生頻率則可揭示其軌道的周期和大小。利用凌星現(xiàn)象，是開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡尋找數(shù)千顆系外行星的方法。起初，科學(xué)家只在“特拉比斯特-1”周圍發(fā)現(xiàn)了3顆行星，但在2017年，斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡又在后續(xù)觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了另外4顆行星。至此，“特拉比斯特-1”系統(tǒng)就成了第一個(gè)已知的由7顆地球大小的行星和單顆恒星組成的系外行星系統(tǒng)。

縮小的“太陽(yáng)系”

與太陽(yáng)系相比，“特拉比斯特-1”行星系統(tǒng)就像是個(gè)縮小版。最內(nèi)層的行星名為“特拉比斯特-1b”，它在軌道上運(yùn)行時(shí)距離中心恒星172萬(wàn)千米，而最外層的行星“特拉比斯特-1h”距離中心恒星約930萬(wàn)千米。再來(lái)回顧一下太陽(yáng)系的情況。太陽(yáng)系中最內(nèi)層的行星是水星，它的軌道平均距離太陽(yáng)5800萬(wàn)千米。換言之，“特拉比斯特-1”行星系統(tǒng)所有行星中離恒星最遠(yuǎn)的距離，都比太陽(yáng)系中水星和太陽(yáng)之間的距離要小得多。“特拉比斯特-1”系統(tǒng)很像一個(gè)極大縮小了的太陽(yáng)系。這表明，相對(duì)而言，“特拉比斯特-1”系統(tǒng)中的行星距離它們的恒星都很近。

不過(guò)，距離恒星近也不是什么壞事。由于紅矮星溫度非常低，恒星周圍的溫度適合液態(tài)水存在的區(qū)域距離恒星也很近，這種區(qū)域被稱為“宜居帶”。研究顯示，“特拉比斯特-1”系統(tǒng)中有好幾顆行星都處在宜居帶中，包括“特拉比斯特-1d”“特拉比斯特-1e”和“特拉比斯特-1f ”，表明這幾顆行星上有可能存在液態(tài)水。然而，行星距離恒星太近也會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，因?yàn)榧t矮星周圍處在宜居帶中的行星時(shí)常被恒星的引力“鎖定”，導(dǎo)致它們的一面始終對(duì)著恒星，另一面始終背朝恒星。這意味著行星的一個(gè)半球處于持續(xù)的白天，而另一個(gè)半球則處于永久的夜晚中。這種情況被稱為“潮汐鎖定”，與導(dǎo)致月球始終向地球顯示同一面的原理相同。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，“特拉比斯特-1”系統(tǒng)中有“特拉比斯特-1b”和“特拉比斯特-1e”2顆行星可能就處在這樣的狀態(tài)中。其中，“特拉比斯特-1b”遠(yuǎn)離宜居帶，而“特拉比斯特-1e”處在宜居帶中。雖然它們被潮汐鎖定了，但在白晝的交界處仍有可能成為宜居地帶。

恒星“特拉比斯特-1”的年齡為76億歲，比太陽(yáng)年老了約30億歲，這對(duì)“特拉比斯特-1”周圍行星上任何潛在的生命來(lái)說(shuō)都是一個(gè)好消息。這是為什么呢？首先，生命進(jìn)化需要很長(zhǎng)的時(shí)間，而“特拉比斯特-1”系統(tǒng)在時(shí)間上滿足了這個(gè)條件。這意味著，如果“特拉比斯特-1”系統(tǒng)存在生命的話，那么它們已進(jìn)化了很長(zhǎng)時(shí)間。其次，年輕的紅矮星以活躍而聞名，它們經(jīng)常釋放強(qiáng)大的輻射耀斑和高能X射線，這對(duì)生命的存在是極為不利的。而紅矮星年齡越大，這些耀斑發(fā)生的頻率就越低，所以年老的紅矮星周圍會(huì)更平靜一些。然而問(wèn)題是，當(dāng)“特拉比斯特-1”年輕時(shí)，它是否已經(jīng)發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈的耀斑？這些耀斑又是否已經(jīng)吹走了其行星的大氣層？這也是科學(xué)家心存疑慮的問(wèn)題。

宜居帶中的行星

那么，在“特拉比斯特-1”系統(tǒng)中，行星上的環(huán)境究竟是怎樣的呢？研究表明，這個(gè)行星系統(tǒng)有3顆行星處在宜居帶的范圍里，它們是“特拉比斯特-1d”“特拉比斯特-1e”和“特拉比斯特-1f ”。

“特拉比斯特-1d”位于紅矮星宜居帶的內(nèi)邊緣，是一個(gè)微小的世界，屬于迄今已發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量最小的系外行星之一。“特拉比斯特-1d”的直徑為10050千米，僅為地球直徑的78.8%，質(zhì)量?jī)H為地球的38.8%，表面重力還不到地球的一半。這顆行星從中心恒星那里接收到的光比地球多4.3%，這意味著它想要附著大氣層很困難。它雖然處在宜居帶中，但適合居住的可能性并不大。也有科學(xué)家研究后認(rèn)為，它有可能像金星一樣產(chǎn)生了失控的溫室效應(yīng)。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，“特拉比斯特-1”系統(tǒng)中最有可能形成宜居環(huán)境的應(yīng)該是“特拉比斯特-1e”。“特拉比斯特-1e”位于宜居帶中部，距離中心恒星440萬(wàn)千米。“特拉比斯特—1e”的體積比地球小，其直徑為地球直徑的92%，質(zhì)量為地球的69%，每6.1個(gè)地球日繞中心恒星一周。它從中心恒星接收到的光與地球從太陽(yáng)接收到的光大致相同。這意味著，如果這顆系外行星有大氣層能保留其接收到的部分熱量，那么它的表面便充分具備了存在液態(tài)水的條件。

處在宜居帶中的另一顆行星是“特拉比斯特-1f”，它處在宜居帶的外邊緣，距離中心恒星574萬(wàn)千米，每9.2個(gè)地球日繞中心恒星一周，它的大小與地球大致相當(dāng)——直徑為13330千米，是地球直徑的1.045 倍；質(zhì)量是地球的93%。“特拉比斯特-1f”接收到的來(lái)自中心恒星的光只有地球接收到的太陽(yáng)光的三分之一，因此，它的表面可能非常涼爽。如果沒(méi)有大氣層的包裹，“特拉比斯特-1f”的溫度將是-59℃。但如果有非常厚的大氣層，也許在火山氣體的支持下，理論上它的表面溫度可能會(huì)升至冰點(diǎn)以上。

此外，很靠近宜居帶的一顆行星是“特拉比斯特-1g”，它是真正的“超級(jí)地球”——直徑是地球的1.129倍，質(zhì)量比地球大30%，每12.4個(gè)地球日環(huán)繞中心恒星一周。它距離中心恒星675萬(wàn)千米，這樣的距離可能使它處在宜居帶之外，在那里它接收到的來(lái)自恒星的光只有地球接收到的太陽(yáng)光的四分之一，這意味著“特拉比斯特-1g”很可能被冰凍的海洋所覆蓋。

然而，這顆系外行星的巨大質(zhì)量，意味著它可以更容易地保留大氣層。如果它有大量的火山活動(dòng)，用溫室氣體補(bǔ)充大氣層，或者有一層厚厚的氫氣幫助保持溫暖，那么它仍然可能存在一個(gè)液態(tài)的海洋。

“冰”與“火”的世界

以上4顆行星由于處在宜居帶中或者非常靠近宜居帶，它們的環(huán)境被認(rèn)為傾向于“宜居”，有可能存在液態(tài)水。而剩下的3顆就不同了，它們是遠(yuǎn)離宜居帶的行星，環(huán)境十分惡劣。其中的“特拉比斯特-1b”是“特拉比斯特-1”系統(tǒng)中最內(nèi)層的行星，是一個(gè)與地球大小相似的巖石世界，質(zhì)量是地球的1.374 倍。“特拉比斯特-1b”的表面重力比地球強(qiáng)10%，每1.5個(gè)地球日環(huán)繞中心恒星一周。作為系統(tǒng)中最內(nèi)層的行星，它非常熱，白天的表面溫度約為225℃，不大可能有生命存在。

“特拉比斯特-1c”是一個(gè)炎熱的世界，測(cè)得的表面溫度為107℃。“特拉比斯特-1c”距離中心恒星236萬(wàn)千米，其直徑為14030千米，是地球的1.097倍，質(zhì)量是地球的1.308倍，表面重力略低于地球，它每2.4個(gè)地球日環(huán)繞中心恒星運(yùn)行一周。天文學(xué)家認(rèn)為，它的大小與金星大致相同，并且從恒星那里接收到的輻射量也與金星相似，由此基本可以斷定它是金星的“雙胞胎”。

在“特拉比斯特-1”系統(tǒng)中，最遠(yuǎn)離中心恒星的行星是“特拉比斯特-1h”。“特拉比斯特-1h”距離中心恒星926萬(wàn)千米，每18.9天環(huán)繞中心恒星一周。“特拉比斯特-1h”的個(gè)頭較小，直徑僅為地球直徑的77.5%，質(zhì)量是地球的三分之一，這意味著它的表面重力僅為地球的57%。這顆行星的表面溫度為-100℃，可能是一顆冰凍的行星。

期待更深入的探索

“特拉比斯特-1”系統(tǒng)距離地球相對(duì)較近，是詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的絕佳目標(biāo)。雖然由于行星太小且距離恒星太近，韋伯望遠(yuǎn)鏡無(wú)法直接拍攝行星的照片，但可以在每顆行星凌星時(shí)探索它們的大氣層。如果這些行星擁有大氣層，那么詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該能夠探測(cè)到特定的分子，包括二氧化碳、甲烷、氮?dú)狻⒀鯕夂退?/p>

迄今為止，天文學(xué)家已經(jīng)針對(duì)大氣層觀測(cè)了“特拉比斯特-1b”和“特拉比斯特-1c”，但情況很不樂(lè)觀：這兩顆行星都沒(méi)有顯示出有理想大氣層的證據(jù)。

“特拉比斯特-1”系統(tǒng)有7顆行星擠在距其恒星僅約750萬(wàn)千米的區(qū)域中。相互間的距離如此之近，會(huì)相撞嗎？答案是：盡管擁擠不堪，但“特拉比斯特-1”的所有行星都處于穩(wěn)定的圓形軌道上，不會(huì)相互碰撞。按照常識(shí)，行星之間的距離理應(yīng)比地月之間的距離大得多，然而，它們有時(shí)確實(shí)非常接近，其間隔不足地球和月亮距離的2倍。這意味著，如果你站在“特拉比斯特-1”系統(tǒng)中某些行星上，那么你會(huì)發(fā)現(xiàn)其他行星比我們從地球上看到的月亮還要大。

截至目前，人類對(duì)“特拉比斯特-1”的了解還很不夠。科學(xué)家無(wú)法判斷這些行星上是否適合存在任何類型的生命，更不用說(shuō)理論上人類是否可以在那里居住，但科學(xué)家還是將那些行星稱為“類地行星”，籠統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就是與地球類似的行星。天文學(xué)家所指的“類地”是物理特征，例如直徑、質(zhì)量和與恒星間的距離等。要判斷一顆行星是否真正與地球相似，必須研究它的大氣層，這種觀測(cè)是極為困難的，必須非常細(xì)心地操作。

即使“特拉比斯特-1”系統(tǒng)適合人類居住，人類也依然面臨巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@個(gè)行星系距離我們大約40光年，這意味著即使我們能夠以光速旅行，也需要40年才能到達(dá)那里。并且，人類沒(méi)有任何已知的技術(shù)能以這樣的速度航行。目前，有一個(gè)計(jì)劃中的項(xiàng)目是通過(guò)激光束推動(dòng)一組納米級(jí)航天器前往半人馬座阿爾法星系統(tǒng)，預(yù)計(jì)其速度可達(dá)光速的20%。如果讓這種航天器去“特拉比斯特-1”系統(tǒng)，那么它們將需要200年才能到達(dá)那里。我們目前最快的探測(cè)器是“新視野號(hào)”，它經(jīng)過(guò)9年的航行后于2015年訪問(wèn)了冥王星，目前正以13.72千米/秒的速度穿越柯伊伯帶。若以這個(gè)速度前往“特拉比斯特-1”系統(tǒng)，那么它需要近90萬(wàn)年才能抵達(dá)。