[科普中国]-人类首次发现7颗类地行星3宜居

在北京时间23日凌晨召开的新闻发布会上，NASA又宣布了一个令人吃惊又兴奋的新发现：科学家们通过斯皮策红外太空望远镜，在距离地球39光年的地方，首次发现了7个地球大小的行星围绕一颗恒星运行的行星系统，更重要的是，其中3颗恒星位于母恒星TRAPPIST-1的宜居带内。（图1）

图1：TRAPPIST-1系统图。

这一发现刷新了太阳系外围绕一颗恒星运行的宜居行星数量。在此前发现的30多个宜居系统中，每个系统中都只有一颗宜居行星。这一次，在一个系统当中找到三颗宜居行星，赚到了！麻省理工学院教授Sarah Seager在发布会上说：“从无到有（指此次在一个恒星周围存在多个类地系统的发现）通常困难重重，但从1到更多会相对更容易。”此次多个类地行星系统的发现，或许会为地外生命的探寻开辟一个新的方向。

在2015年发现“地球大表哥”开普勒452B和2016年发现“地球孪生哥哥”比邻星b之后（图2），“地球兄弟团队”也在不断扩充之中。

图2：地球分别和开普勒452B（左）、比邻星b（右）大小比较图。

7颗“恋母”行星：距离恒星较近，科学家20天看遍

这是人类首次发现如此多的类地行星在一个恒星周围绕转，甚至比围绕太阳转动的类地行星还要多（太阳系中只有4个岩质的类地行星，分别是水星，金星，地球和火星）。自从人类在90年代初探测到第一个地外行星以来，截至2017年2月15日，天文学家们已经在2687颗恒星周围发现了5000多颗地外行星。尽管和地球尺寸大小差不多的行星有可能占到了20%左右，但是根据地球相似指数判断，只有2个（Kepler 438b和KOI-4878.01）和地球相似，所以类地行星是及其稀少的。

确认行星本身的存在和数量比较容易，而确定行星的构成则相对比较困难，需要我们对行星的质量和半径进行测量之后，才有可能做出估计。对于目前探测到的绝大多数地外行星而言，因为质量和半径不易测量，我们很难最终确定行星的构成。

在这次新发现的七星系统中，7颗行星距离恒星TRAPPIST-1都非常近，行星运行的轨道平面又非常适于观测，天文学家们才有机会确定这些行星的性质。

这7兄弟距离它们的母星究竟有多近呢？如果以太阳系做类比的话，这7个地球大小的行星都被压缩在水星的轨道之内。最近的一颗行星TRAPPIST-1b，差不多只有地球到太阳距离的1/100（参见图3），水星到太阳距离的1/30；最远的行星TRAPPIST-1h，也只有水星到太阳距离的1/6。正是因为距离甚近，七颗行星的公转周期很短——最短的1.5天，最长的也只有20天，于是，天文学家们在利用美国斯皮策红外望远镜对这一系统进行了持续20天的观测之后，就几乎很好地了解了所有这些行星的基本性质。当然，因为老七最远，观测时长和它的转动周期差不多，所以我们在这20天里对它的了解是最少的。

图3：此系统各个行星参数和太阳系岩质行星参数比较。

TRAPPIST-1（中译名为“特拉比斯特-1”）——这个中心恒星的名字听起来十分古怪，其实，它源自一个叫做“TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope–South”（TRAPPIST；行星和星子凌星的小望远镜系统）的望远镜项目。该项目利用位于智利拉息拉天文台（La Silla observatory）一个口径60厘米的小型望远镜，在红外波段对太阳系附近的超冷褐矮星光变曲线进行监测（之所以利用红外波段是因为母星温度比较低，主要辐射在红外波段），试图探测到其周围的行星。

我们如何寻找近40光年之外地球的兄弟呢？行星探测方式有许多种，常用的有视向速度法、凌日法、微引力透镜法，还有直接成像法等，全都介绍一遍得用上几节课的时间。对于TRAPPIST项目来说，顾名思义，它所使用是凌星法——当行星从恒星前方经过时，由于行星的遮挡效应，会使恒星星光在一定程度上变暗（其实变化极其微小，最大只有百分之一），我们从而可以推断行星的存在。

此次新闻发布会的主角TRAPPIST-1是该项目所发现的第一个超冷矮星系统（注：超冷矮星，指质量通常只有几十个木星质量的恒星）。2016年5月的时候，欧洲和美国的科学家们曾联合利用此望远镜和更大口径的甚大望远镜（Very Large Telescopes）对此系统进行观测，发现了三颗行星。而这一次，他们更进一步，利用口径0.85米的斯皮策太空红外望远镜，不仅对原已发现的行星做出了进一步确认，而且又发现了另外四颗类似行星（图4）。

图4：斯皮策望远镜(左)所观测到的7个行星的光变曲线示意图（右），凹陷的地方是因为行星的遮挡效应。

3颗宜居星球：虽有生命希望，然而危机重重

更重要的是，在新发现的4颗行星中，竟然有3颗行星位于我们一直在努力探索的宜居带中，也就是人们常说的“金发姑娘区”（Goldilocks Zone）。按照我们目前对于生命的理解，液态水是生命存在的最基本要求。所以一颗恒星既不能距离恒星太近，也不能距离恒星太远——太近，行星表面就会太热；太远，行星表面又太冷——都无法产生液态水存在的条件。当然，对于不同大小和温度的恒星而言，宜居带的位置和宽度会又差别。

在我们的太阳系中，金星、地球和火星位于宜居带中。和业已50亿岁的太阳相比，TRAPPIST-1系统中心的恒星TRAPPIST年龄只有5亿年，尺寸要比太阳小很多，直径只有太阳的1/10，仅比木星稍微大一点点（图5）。与此同时，它的温度也很低，表面温度大约为2550开尔文，所对应的亮度只有太阳的1/2000。由此我们不难想见，它的宜居带也比太阳系里的宜居带更加靠近中心恒星。

在这七兄弟当中，1e、1f 和1g三颗行星被认为是最有可能存在液态水的（图6）。尽管中心恒星的亮度相比太阳而言十分微弱，但因为它们距离恒星很近，所以接收到的中心辐射也不算弱——1e接收到的光和地球所接收的太阳光差不多，1f上的光和火星上的相似。

图5：TRAPPIST系统和木星卫星大小比较图。

图6：绿色区域代表宜居带。

图7：1f上的想象图。

地球究竟是不是宇宙中孤独的生命载体？这是天文学家们一直以来在努力解答的问题，也是人类寻找宜居星球的初衷。尽管单从距离的角度判断，这几个行星都比较适合于生命的发展，但是生命是否真正存在，还取决于很多其他因素。

至少对于1e、1f和1g三颗宜居行星而言，生命存在并不乐观。这主要因为它们距离中心恒星比较近，很有可能已经被潮汐锁定——就像月球总是把自己的正面对着地球一样——这些行星有可能总是以固定某一面对着中心恒星，这对于生命的发展是很不友好的。

但宇宙又往往给我们以惊喜，生命也时常存在于我们意想不到的环境之中。生命的活动通常会在行星的大气中留下一些特征，所以关于这些行星中究竟有无生命存在，还需要我们对它们的大气展开进一步观测分析。

明年即将发射的韦伯红外望远镜，凭借着其巨大的口径和强大的观测能力，或许会告诉人类这些行星上有无生命的答案。让我们在为努力探索的科学家们欢呼加油的同时，一同期盼宇宙深处生命信号的到来。