據(jù)頭條號(hào)“中國科普博覽”23日?qǐng)?bào)道，在北京時(shí)間23日凌晨召開的新聞發(fā)布會(huì)上，NASA又宣布了一個(gè)令人吃驚又興奮的新發(fā)現(xiàn)：科學(xué)家們通過斯皮策紅外太空望遠(yuǎn)鏡，在距離地球39光年的地方，首次發(fā)現(xiàn)了7個(gè)地球大小的行星圍繞一顆恒星運(yùn)行的行星系統(tǒng)，更重要的是，其中3顆行星位于母恒星TRAPPIST-1的宜居帶內(nèi)。（圖1）

圖1：TRAPPIST-1系統(tǒng)圖。

這一發(fā)現(xiàn)刷新了太陽系外圍繞一顆恒星運(yùn)行的宜居行星數(shù)量。在此前發(fā)現(xiàn)的30多個(gè)宜居系統(tǒng)中，每個(gè)系統(tǒng)中都只有一顆宜居行星。這一次，在一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中找到三顆宜居行星，賺到了！麻省理工學(xué)院教授Sarah Seager在發(fā)布會(huì)上說：“從無到有（指此次在一個(gè)恒星周圍存在多個(gè)類地系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)）通常困難重重，但從1到更多會(huì)相對(duì)更容易?！贝舜味鄠€(gè)類地行星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)，或許會(huì)為地外生命的探尋開辟一個(gè)新的方向

在2015年發(fā)現(xiàn)“地球大表哥”開普勒452B和2016年發(fā)現(xiàn)“地球?qū)\生哥哥”比鄰星b之后（圖2），“地球兄弟團(tuán)隊(duì)”也在不斷擴(kuò)充之中。

圖2：地球分別和開普勒452B（左）、比鄰星b（右）大小比較圖。

7顆“戀母”行星：距離恒星較近，科學(xué)家20天看遍

這是人類首次發(fā)現(xiàn)如此多的類地行星在一個(gè)恒星周圍繞轉(zhuǎn)，甚至比圍繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)的類地行星還要多（太陽系中只有4個(gè)巖質(zhì)的類地行星，分別是水星，金星，地球和火星）。自從人類在90年代初探測(cè)到第一個(gè)地外行星以來，截至2017年2月15日，天文學(xué)家們已經(jīng)在2687顆恒星周圍發(fā)現(xiàn)了5000多顆地外行星。盡管和地球尺寸大小差不多的行星有可能占到了20%左右，但是根據(jù)地球相似指數(shù)判斷，只有2個(gè)（Kepler 438b和KOI-4878.01）和地球相似，所以類地行星是及其稀少的。

確認(rèn)行星本身的存在和數(shù)量比較容易，而確定行星的構(gòu)成則相對(duì)比較困難，需要我們對(duì)行星的質(zhì)量和半徑進(jìn)行測(cè)量之后，才有可能做出估計(jì)。對(duì)于目前探測(cè)到的絕大多數(shù)地外行星而言，因?yàn)橘|(zhì)量和半徑不易測(cè)量，我們很難最終確定行星的構(gòu)成。

在這次新發(fā)現(xiàn)的七星系統(tǒng)中，7顆行星距離恒星TRAPPIST-1都非常近，行星運(yùn)行的軌道平面又非常適于觀測(cè)，天文學(xué)家們才有機(jī)會(huì)確定這些行星的性質(zhì)。

這7兄弟距離它們的母星究竟有多近呢？如果以太陽系做類比的話，這7個(gè)地球大小的行星都被壓縮在水星的軌道之內(nèi)。最近的一顆行星TRAPPIST-1b，差不多只有地球到太陽距離的1/100（參見圖3），水星到太陽距離的1/30；最遠(yuǎn)的行星TRAPPIST-1h，也只有水星到太陽距離的1/6。正是因?yàn)榫嚯x甚近，七顆行星的公轉(zhuǎn)周期很短——最短的1.5天，最長的也只有20天，于是，天文學(xué)家們?cè)诶妹绹蛊げ呒t外望遠(yuǎn)鏡對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行了持續(xù)20天的觀測(cè)之后，就幾乎很好地了解了所有這些行星的基本性質(zhì)。當(dāng)然，因?yàn)槔掀咦钸h(yuǎn)，觀測(cè)時(shí)長和它的轉(zhuǎn)動(dòng)周期差不多，所以我們?cè)谶@20天里對(duì)它的了解是最少的。

圖3：此系統(tǒng)各個(gè)行星參數(shù)和太陽系巖質(zhì)行星參數(shù)比較。

TRAPPIST-1（中譯名為“特拉比斯特-1”）——這個(gè)中心恒星的名字聽起來十分古怪，其實(shí)，它源自一個(gè)叫做“TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope–South”（TRAPPIST；行星和星子凌星的小望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)）的望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用位于智利拉息拉天文臺(tái)（La Silla observatory）一個(gè)口徑60厘米的小型望遠(yuǎn)鏡，在紅外波段對(duì)太陽系附近的超冷褐矮星光變曲線進(jìn)行監(jiān)測(cè)（之所以利用紅外波段是因?yàn)槟感菧囟缺容^低，主要輻射在紅外波段），試圖探測(cè)到其周圍的行星。

我們?nèi)绾螌ふ医?0光年之外地球的兄弟呢？行星探測(cè)方式有許多種，常用的有視向速度法、凌日法、微引力透鏡法，還有直接成像法等，全都介紹一遍得用上幾節(jié)課的時(shí)間。對(duì)于TRAPPIST項(xiàng)目來說，顧名思義，它所使用是凌星法——當(dāng)行星從恒星前方經(jīng)過時(shí)，由于行星的遮擋效應(yīng)，會(huì)使恒星星光在一定程度上變暗（其實(shí)變化極其微小，最大只有百分之一），我們從而可以推斷行星的存在。

此次新聞發(fā)布會(huì)的主角TRAPPIST-1是該項(xiàng)目所發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)超冷矮星系統(tǒng)（注：超冷矮星，指質(zhì)量通常只有幾十個(gè)木星質(zhì)量的恒星）。2016年5月的時(shí)候，歐洲和美國的科學(xué)家們?cè)?lián)合利用此望遠(yuǎn)鏡和更大口徑的甚大望遠(yuǎn)鏡（Very LargeTelescopes）對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了三顆行星。而這一次，他們更進(jìn)一步，利用口徑0.85米的斯皮策太空紅外望遠(yuǎn)鏡，不僅對(duì)原已發(fā)現(xiàn)的行星做出了進(jìn)一步確認(rèn)，而且又發(fā)現(xiàn)了另外四顆類似行星（圖4）。

圖4：斯皮策望遠(yuǎn)鏡（左）所觀測(cè)到的7個(gè)行星的光變曲線示意圖（右），凹陷的地方是因?yàn)樾行堑恼趽跣?yīng)。

3顆宜居星球：雖有生命希望，然而危機(jī)重重

更重要的是，在新發(fā)現(xiàn)的4顆行星中，竟然有3顆行星位于我們一直在努力探索的宜居帶中，也就是人們常說的“金發(fā)姑娘區(qū)”（Goldilocks Zone）。按照我們目前對(duì)于生命的理解，液態(tài)水是生命存在的最基本要求。所以一顆恒星既不能距離恒星太近，也不能距離恒星太遠(yuǎn)——太近，行星表面就會(huì)太熱；太遠(yuǎn)，行星表面又太冷——都無法產(chǎn)生液態(tài)水存在的條件。當(dāng)然，對(duì)于不同大小和溫度的恒星而言，宜居帶的位置和寬度會(huì)又差別。

在我們的太陽系中，金星、地球和火星位于宜居帶中。和業(yè)已50億歲的太陽相比，TRAPPIST-1系統(tǒng)中心的恒星TRAPPIST年齡只有5億年，尺寸要比太陽小很多，直徑只有太陽的1/10，僅比木星稍微大一點(diǎn)點(diǎn)（圖5）。與此同時(shí)，它的溫度也很低，表面溫度大約為2550開爾文，所對(duì)應(yīng)的亮度只有太陽的1/2000。由此我們不難想見，它的宜居帶也比太陽系里的宜居帶更加靠近中心恒星。

在這七兄弟當(dāng)中，1e、1f 和1g三顆行星被認(rèn)為是最有可能存在液態(tài)水的（圖6）。盡管中心恒星的亮度相比太陽而言十分微弱，但因?yàn)樗鼈兙嚯x恒星很近，所以接收到的中心輻射也不算弱——1e接收到的光和地球所接收的太陽光差不多，1f上的光和火星上的相似。

圖5：TRAPPIST系統(tǒng)和木星衛(wèi)星大小比較圖。

圖6：綠色區(qū)域代表宜居帶。

圖7：1f上的想象圖。

地球究竟是不是宇宙中孤獨(dú)的生命載體？這是天文學(xué)家們一直以來在努力解答的問題，也是人類尋找宜居星球的初衷。盡管單從距離的角度判斷，這幾個(gè)行星都比較適合于生命的發(fā)展，但是生命是否真正存在，還取決于很多其他因素。

至少對(duì)于1e、1f和1g三顆宜居行星而言，生命存在并不樂觀。這主要因?yàn)樗鼈兙嚯x中心恒星比較近，很有可能已經(jīng)被潮汐鎖定——就像月球總是把自己的正面對(duì)著地球一樣——這些行星有可能總是以固定某一面對(duì)著中心恒星，這對(duì)于生命的發(fā)展是很不友好的。

但宇宙又往往給我們以驚喜，生命也時(shí)常存在于我們意想不到的環(huán)境之中。生命的活動(dòng)通常會(huì)在行星的大氣中留下一些特征，所以關(guān)于這些行星中究竟有無生命存在，還需要我們對(duì)它們的大氣展開進(jìn)一步觀測(cè)分析。

明年即將發(fā)射的韋伯紅外望遠(yuǎn)鏡，憑借著其巨大的口徑和強(qiáng)大的觀測(cè)能力，或許會(huì)告訴人類這些行星上有無生命的答案。讓我們?cè)跒榕μ剿鞯目茖W(xué)家們歡呼加油的同時(shí)，一同期盼宇宙深處生命信號(hào)的到來。

出品：科普中國

制作：黑洞來客團(tuán)隊(duì) 茍利軍 黃月

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