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Feb. 25 2017

新發現類地行星七姊妹

  • 新發現類地行星七姊妹

    新發現類地行星七姊妹

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科學家發現,在39光年外,有七顆大小與地球相近的行星環繞著一顆恆星,而且行星表面環境極有可能適合液態水存在。

這幅繪圖想像從TRAPPIST-1恆星系統中的一顆行星往外看的景象,這顆恆星擁有七顆和地球大小相近的行星。ILLUSTRATION BY M. KORNMESSER, SPACEENGINE.ORG/ESO

科學家在2017年2月22日公布了一項大發現:在地球附近的一顆恆星,竟擁有七顆和地球大小相近的岩質行星,其中有些行星的表面可能有液態水(甚至是生命)存在。

這些行星所繞行的恆星,是距離地球僅39光年的TRAPPIST-1。行星之間靠得很近,因此你也能在這些行星的天空中,看到其他的行星,有時候是閃閃發光的彎彎月牙形狀,有時候則是比滿月還大上兩倍的圓。

「這個奇景一定很美。」這篇發表在《自然》(Nature)的論文共同作者劍橋大學的阿穆里.托奥德(Amaury Triaud)這麼說。

現在,TRAPPIST-1系統和其他幾個恆星一樣,成了目前除了太陽系外,擁有最多行星的恆星系統(太陽系有八個行星,但不包括冥王星等矮行星)。這個發現意味著,和地球大小相近的行星比之前所想像的還要多。

現在,TRAPPIST-1成了在地球附近尋找生命跡象的首選區域。在TRAPPIST-1系統中,恆星和行星的相對大小,以及這個恆星與地球距離較近,將來或許我們能在這些行星的大氣中,偵測到會行呼吸作用的生物特徵。

「又發現適居帶的系外行星這件事,或許已經讓人厭倦。不過這項發現的重點,其實在於研究系外行星的優先順序已經改變,而且更專注在另一個層面了,」美國航太總署(NASA)的娜塔利.貝塔哈(Natalie Batalha)表示:「溫度適宜,而且和地球大小差不多的系外行星在銀河系裡很常見,但現在的研究重點是要找到離我們夠近的系外行星,才能分析行星大氣的特徵。」


低溫矮星周圍的七顆系外行星

TRAPPIST-1恆星距離我們僅有39光年,一起來認識周圍的行星有哪些精彩故事。

幸運數字七

如果你覺得TRAPPIST-1這個名字聽來有點熟悉,那是因為在將近一年前,科學家才利用位在智利、摩洛哥、南非和其他地方的望遠鏡,發現這顆恆星有系外行星的大消息。2016年5月,這個團隊找到證據顯示,這顆恆星至少有三顆行星,他們認為其中有些行星大小和地球相近,而且有可能適合生命存在。接著在7月,麻省理工學院的朱利安.德維特(Julien de Wit)又發表論文,報告其中兩顆行星可能擁有濃厚的大氣,就像是地球和金星。

現在,美國航太總署的史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)花了整整20個晝夜緊盯著TRAPPIST-1,終於發現並確認這個恆星擁有更多行星。雖然說它們的母恆星很不起眼,質量只有太陽的8%,亮度也大約只有太陽的千分之一。這種恆星是銀河系裡最常見的一種,稱為M矮星。這顆恆星照耀在行星七姐妹上的微弱光芒,主要落在紅外光波段--我們無法以肉眼看到紅外光,只能感覺到它的溫度。

但史匹哲望遠鏡能夠看到紅外光,當望遠鏡對準這顆恆星時,出現了一些特殊的現象。這顆恆星的光芒會週期性地變暗--這是因為行星在經過恆星前方時,在恆星表面投下影子,暴露了自己的行蹤。科學家在明亮不定的光度變化曲線中,辨認出七顆行星的特徵。

其中三顆是原本2016年公布和地球大小相近的行星。有趣的是,科學家在仔細檢查後,發現2016年所公布的其中一顆行星,其實不只一顆。

最後,這七顆行星從星光中透露行蹤,奏出宇宙裡的七重奏。

「其中內側的六顆行星訊號已非常確信,第七顆行星應該也是真的,」蒙特婁大學的羅倫.韋斯(Lauren Weiss)表示:「如果TRAPPIST-1能有這麼多行星,那麼其他為數眾多的小恆星,也可能會有這麼多行星。」

這幾顆行星的名字分別叫做TRAPPIST-1b、1c……,一直到TRAPPIST-1h。行星上的一年從1.5到約20個地球日不等。它們緊緊依偎著母恆星,與恆星的距離比水星到太陽還要更近。這些行星就像擁擠的一家兄弟姊妹,彼此的重力互相影響,又拖又拉的,因此史匹哲望遠鏡觀察到的光度變化模式,呈現出稍稍延遲和些微擾動的現象。

科學家根據這些擾動,能夠決定行星的大略質量。他們發現這些行星不但跟地球大小相近,也和地球的質量差不多。也就是說,這七姊妹可能是岩質行星,不過韋斯也表示,這些行星也可能其實很小,但外圍被一大層蓬鬆的大氣籠罩著。

但科學家仍無法確定TRAPPIST-1h的軌道。其中三顆行星--TRAPPIST-1e、TRAPPIST-1f和TRAPPIST-1g,似乎剛好位在恆星的適居帶內。這表示如果行星的內部結構和大氣狀況適合,行星表面的溫度能讓液態水匯聚、流動。

在這之前,科學家主要都是在類似太陽的恆星周圍,尋找與地球相似的行星。這項發現和其他之前的研究指出,即使是又小又暗的恆星,也可能擁有像地球一樣的行星--這對致力尋找銀河系中究竟有多少這類行星的科學家來說,是個大好消息。

「這篇論文的作者非常幸運,能在這麼少的資料中,就找到七顆大小和地球相近的行星發生凌星現象。這表示,像我們太陽系這樣有四顆大小和地球相近行星的系統,並沒有什麼特別的。」萊登大學伊格納斯.斯納蘭(Ignas Snellen)在同期刊出的評論文章中這麼說。

尋找生命

科學家們對從恆星算來的第五顆岩質行星--TRAPPIST-1f特別感興趣,他們認為這顆行星恰好位在最適合生命存在的位置。

但也不全然都是好消息,所以對找到外星生命這件事,還是別太過於興奮。

首先,這個系統的大小和構造,和木星以及四顆較大的木星衛星類似,這四顆衛星繞行木星時,一直都以同一面對著這顆巨大的行星。TRAPPIST-1的行星也是這樣,也就是說,這幾個系外行星面對恆星的那半球始終炎熱,另外背對恆星的半球,則是永無止盡的漫漫長夜。

這張示意圖把TRAPPIST-1的七顆行星,與太陽系內側的行星,和木星四顆最大衛星的軌道相互比較。 (紅色軌道為TRAPPIST-1,白色軌道為木星與四顆最大衛星)ILLUSTRATION BY O. FURTAK, ESO

這並不代表這些行星無法演化出生命(尤其是如果有大氣的狀況)但確實有些難度,這篇論文的共同作者、列日大學的邁克爾.吉隆(Michaël Gillon)表示。

另外,這些行星與母恆星靠得太近了,彼此也都擠在一起。在軌道上運行時,重力會壓縮並加熱行星內部,就像木星對它的幾顆大衛星,也有類似的效應。

這個過程稱為潮汐加熱,這也是為什麼木衛二歐羅巴(Europa)內部有全球性的海洋流動,和木衛一埃歐(Io)是全太陽系火山活動最活躍的地方。

所以,儘管這些行星可能很溫暖,但其中幾顆可能會像木衛一埃歐那樣,每2000年左右,就因為內部的火山活動,而使地貌完全改變。「與其說那邊是溫暖的海灘,我覺得用『宜居』來形容更貼切。」韋斯說。

最重要的一點是,行星的表面溫度其實主要取決於行星本身的特徵,尤其是大氣狀態。看看像地獄一樣炙熱的金星就可以知道了--這都得歸咎於金星表面大量令人窒息的溫室氣體。

這可不是說科學家對在TRAPPIST-1系統中尋找生命不感興趣。其實,他們已經開始付諸行動了。哈伯太空望遠鏡正忙著監測這些系外行星的大氣,美國航太總署的克卜勒太空望遠鏡自2016年12月開始,也始終緊盯這個系統,尋找更多行星,期望對這些行星有更多認識。

在接下來的幾年裡,詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)應該可以更仔細觀測TRAPPIST-1和系統中的行星。

對科學家來說,要在這個系統尋找什麼樣的生命特徵,是個相當棘手的問題,畢竟利用TRAPPIST- 1的紅外光所演化出的生命型態,一定和地球很不一樣。比起單一的分子特徵,生命的跡象可能會以調整幾種化合物比例的方式顯露出來。

「這真的是各種不同分子的組合,」吉隆說:「光有氧氣是不夠的。」無論如何,仔細觀測這些行星的大氣,是將來非常重要的一步。而且天文學家總有可能像這次一樣幸運,發現我們熟悉的東西。

托奥德表示:「如果那裡的生命蓬勃發展,並且和地球上的生命釋放出類似的氣體,那麼,總有一天我們會找到的」。

撰文:Nadia Drake

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