廣袤的宇宙中，究竟有多少個“地球”？從左至右依次為：開普勒-20e、金星、地球、開普勒-20f，圖片來源：NASA Content Administrator
責編 | 王馨心、呂浩然
“人類在宇宙中是孤獨的嗎？地球在宇宙中是孤獨的嗎？”千百年來，人們從未停止對此類問題的思考和探討。早在16世紀，義大利科學家布魯諾（Giordano Bruno）在《論無限、宇宙和諸世界》中就提出了對於系外行星的預測，他認為天空中的恆星都像我們的太陽一樣，周圍也會環繞著行星，而這些行星也可以孕育自己的生命。
1687年，牛頓出版了其劃時代的著作《自然哲學的數學原理》，其中提到其它恆星周圍類似太陽系一樣行星環繞的可能性。此後，系外行星的猜想也開始被越來越多的人所接受，但是人們對行星的認知還僅侷限於太陽系內的八大行星。
直到1995年，米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）發現了第一顆圍繞在類太陽恆星周圍的系外行星。他們這次的發現不僅為人們打開了一個新的領域，也為系外生命的探索邁出了堅定的一步。此後的20多年裡，天文學家一共發現了3000多個系外行星系統，共計5000多顆系外行星，它們有著各種各樣的軌道、週期，差異之大令人難以置信（圖1），多種多樣的系外行星的發現也挑戰了人們對於行星系統的傳統觀念。
圖1：NASA確認的5000多顆行星，其中4%是類地行星、30%是類木行星（或氣態巨行星）、31%是超級地球、35%是類海行星，圖片來源：NASA
天文學判斷一個星球是否宜居，需要達到至少兩個條件：第一，它是類地行星（有著和地球差不多的大小）；第二，處於宜居帶中（允許液態水的存在）。然而，絕大多數的系外行星的性質並不滿足可宜居的條件，直至今天，潛在的宜居星球依然屈指可數（圖2）。
2015年，來自比利時里亞哥大學米歇爾·吉隆（Michaël Gillon）所帶領的天體物理學研究團隊把一個名為TRAPPIST的望遠鏡對準在一個距離太陽系39光年的恆星上，利用凌星法在其附近陸續發現了7顆類地行星，這個數字在所有已知恆星系統中是最多的。更令人驚喜的是，其中3-4顆都是宜居星球。這個恆星系統後被命名為TRAPPIST-1行星系統，成為天文學家研究的重點物件。
圖2：潛在的宜居星球，圖片來源：PHL@UPR Arecibo
39光年之外的“7個地球”
TRAPPIST-1（圖3）的年齡已達76億歲，比我們的太陽還要老，其表面溫度約為太陽的一半，僅2560K，質量也只有太陽的9%。由於TRAPPIST-1表面溫度比太陽低得多，它的行星宜居帶也非常近，七顆行星中的d、e、f和g都處於宜居帶之中。TRAPPIST-1的七顆行星軌道也十分緊湊，最外面的行星h到主恆星的距離乘十七倍才是地球到太陽的距離。
要想分辨這顆恆星，就相當於需要一個可以在一米外看清一顆原子的照相機，而想要分辨地球大小的物體則更是難上加難。那麼，我們是如何在其附近“看”到行星的呢？
圖3：TRAPPIST-1系統中七顆行星示意圖，圖片來源：NASA/JPL-Caltech
凌星法是一種被廣泛使用的、用於尋找系外行星的方法，透過觀測目標恆星光度的細微變化，我們可以從其光變曲線中發現系外行星的蛛絲馬跡。其原理和日食類似，當一顆系外行星運動到其主恆星和地球之間時，如果三者正好處於一條直線上時，該行星就會擋住一部分其主恆星向地球傳播的光。
因此，如果我們看到一個恆星的亮度隨時間變化的曲線，週期性地呈現出一個個“凹”形（圖4），那麼極有可能是其周圍的行星所造成的。“凹”形的深度、週期和寬度也就相應地反映了行星的相對大小、軌道週期和軌道傾角。TRAPPIST-1的光變曲線有七個“凹”形的週期性訊號，這也說明了該恆星周圍有7顆行星。
圖4：凌星法示意圖，隨著行星週期性地掠過主星與地球之間，主星的光變曲線也會發生“凹”型變化，圖片來源：Astronomy： Roen Kelly
行星與行星之間存在相互的引力擾動，這種擾動會影響行星的過境時間，使其產生變化。動力學家埃裡克·阿戈爾（
Eric Agol
）透過研究這種微小的變化的特徵，得到了行星的質量，測量誤差在5%以內。
圖5：TRAPPIST-1行星軌道動力學特徵和太陽系（下）、木星衛星系統（上）對比，圖片來源：NASA/JPL
軌道共振下的“小宇宙”
從上圖可以看出，TRAPPIST-1的系統的半徑要比太陽系小很多，更深層次的，與太陽系的幾顆類地行星不同，研究者們認為TRAPPIST-1的行星在其早期（約70億年前）的原行星盤裡就已經形成了，而後由於行星和原行星盤中物質的引力作用，行星向靠近中心恆星的方向遷移並停留在原行星盤的內邊緣。那麼，為什麼這七個行星沒有進一步縮近，最終撞在一起呢？
原來，兩個行星在移動到整數軌道週期比的位置時，它們之間的切向引力可以抵消引起行星遷移的力矩，從而捕獲他們，以阻止行星間的間距繼續縮小，這叫做軌道共振。TRAPPIST-1的七個行星都是共振的（圖5），其中每兩個鄰近天體的週期比約為8：5、5：3、3：2、3：2、4：3、3：2，這是太陽系外行星系統中已知最長的近共振鏈（同一系統內連續三個及以上的行星都處於軌道共振中）。而我們太陽系也有共振的例子，例如木衛一、木衛二和木衛三軌道的1：2：4共振，以及冥王星和海王星之間的2：3共振。小行星在小行星帶也會受到木星的影響，在與木星共振的位置分佈相對較少（圖6）。
圖6：小行星帶中的小行星軌道分佈，受到質量很大的木星的擾動，處在共振位置的小行星容易被其散射出去，圖片來源：NASA/JPL-Caltech
行星的軌道動力學結構等性質保留了行星形成之後在原行星盤裡的部分特性，可以據此有效地限制行星形成起源的理論假設、或是為其提供關鍵性證據。天文學家丹尼爾·塔馬約（Daniel Tamayo）領導的團隊發現，行星共振使得TRAPPIST-1的七個行星在動力學上更加穩定，這也是TRAPPIST-1的七個行星空間分佈緊湊但是卻能在76億年間保持穩定的原因。
來自法國波爾多天體物理實驗室的希恩·雷蒙德（Sean Raymond）則選擇從另外一個角度看待這個問題：小行星撞擊會帶來額外的化學成分比如水（地球上的水的來源之一），之所以TRAPPIST-1的共振結構可以穩定存在，是因為來自小行星的撞擊並不頻繁。因此，TRAPPIST-1行星上的絕大部分水源自原行星盤中的物質。
潮汐鎖定下的特殊狀態
由於TRAPPIST-1系統的半徑非常小，因此恆星的潮汐作用對近距離行星的影響尤為明顯，所有7顆行星可能都已被潮汐鎖定（即來自主星的潮汐力促使行星的自轉週期等於公轉週期），就像月球始終只有一面對著地球。由於陽光的照射，行星的白晝一側的水分不斷蒸發，而夜間一側水分又完全凍結，這並不適宜生命生存。因此，這類行星晝半球與夜半球之間的晨昏圈可能是最適合生命生存的區域。
較強的潮汐作用往往伴隨著活躍的地質活動，例如火山噴發，這會額外加熱TRAPPIST-1的行星。考慮到這種因素，TRAPPIST-1的宜居帶可能會延伸至TRAPPIST-1h。其他因素，包括海洋和植被的存在、陸地表面的反射特性、大陸和海洋的結構、雲和海冰動力學等，都可能會影響到宜居帶的位置。
為什麼7顆行星長得基本一樣？
在對七顆行星的質量進行精確測量之後，結合透過凌星法得到的行星半徑特徵，便可以得到行星的密度（圖7）。至此，我們可以簡要總結以下兩點關鍵的行星特徵：第一，七顆行星的密度大致相同；第二，他們的密度與地球相比稍低一些。說到這裡，TRAPPIST-1這個“小宇宙”又與太陽系差別很大：區別於太陽系各不相同的八顆行星，為什麼它們展現如此高度的相似性？一種自然的解釋是，他們具有相似的形成機制，就像一個藤蔓結下的葫蘆七兄弟（PS：不分顏色和能力，起碼大小長相差不多）。
圖7：TRAPPIST-1行星與太陽系類地行星（圖中籃圈）對比，圖片來源：NASA/JPL-Caltech
清華大學克里斯·奧默爾（Chris Ormel）教授很快發現行星在水的雪線附近的成長模型可以很好的解釋這些特性。在現在的太陽系裡，雪線（約5地日距離）之外的水蒸氣會凝結成冰，僅此而已，而在早期行星開始形成的原行星盤中，水的雪線附近卻是行星成長的“肥沃土壤”，小到毫米量級的塵埃或卵石，大到千米量級的星子皆可作為“肥料”在此聚集，並且這些“肥料”包含了大量的水。經過星子間相互碰撞或行星對卵石的吸積，行星迅速“粘合”“長大”到類地行星的體型，並且自身引力大到足夠和原行星盤相互作用，進而脫離雪線向主恆星方向遷移。
此外，行星一旦離開了雪線這塊“土地”，成長的速度就會大大降低。隨著前一顆行星的“成熟”和離開，另一顆行星開始以類似的成長機制汲取雪線附近的“養分”，等到成熟之後又以同樣的方式遷移開。就這樣，七顆行星相繼以類似的方式形成、並長大到地球大小之後，又相繼向內遷移。
在原行星盤消散之後，來自恆星的短波光子（XUV）會蒸發其周圍行星的水分，所以行星越靠近主恆星，其水分丟失就越嚴重，例如TRAPPIST-1b 和TRAPPIST-1c。
圖8：雪線吸積模型，虛線代表原行星盤中的雪線，圖片來源：Djoke Schoonenberg
那麼，目前這幾顆行星裡究竟有多少水呢？想要準確地回答這個問題，我們需要實地的地質勘測。然而，儘管TRAPPIST-1距離地球相對較近（天文尺度上），但人類即使是以光速執行的星際探測器也需要將近40年才能到達這顆恆星，使用現代火箭和引力彈弓的航天器則需要幾十萬年。
光譜探測——追尋生命的足跡
TRAPPIST-1的七顆行星與地球究竟有多相似？其表面到底有沒有水的存在？雖然它們展現了諸多宜居的特徵，但這些問題目前也並沒有定論。“我們可以對這些行星的大氣和成分進行研究，評估它們是否真的宜居。”麻省理工學院天文學家朱利安·德·維特（Julien de Wit）說道，“這些都是可以實現的，並且是我們觸手可及的。如果我們獲得成功，就等於贏得了這一領域的頭獎。”
TRAPPIST-1距離地球相對於其它潛在的可宜居星球較近，是做大氣成分測定的不二之選。假設TRAPPIST-1的行星大氣中存在溫室氣體，例如水蒸汽，其經過主恆星時就會在光譜的近紅外波段產生吸收線。因此，我們需要一個高精度的紅外探測器來分析TRAPPIST-1行星的凌日光譜。
圖10：詹姆斯·韋伯（JWST）望遠鏡示意圖，圖片來源：NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez
幸運的是，2021年12月，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（圖10）在法屬蓋亞那庫魯基地成功發射升空，2022年1月24日，望遠鏡到達了既定的空間位置，目前還處於望遠鏡除錯階段。
在不久的將來，透過詹姆斯·韋伯太空望遠鏡與歐洲極大望遠鏡等望遠鏡的聯合觀測，天文學家預期將可觀測到行星大氣層內的溫室氣體成分，更精準地推測系外行星表面狀況，或許還可以偵測到大氣層內的臭氧與甲烷等允許生命存在的化學環境特徵。TRAPPIST-1目前是系外行星大氣探測的最熱點話題和首要目標之一，隨著這些觀測任務的不斷推進，我們必將迎來研究系外行星大氣的熱潮。
宇宙中，類似TRAPPIST-1的低質量恆星還有許多。無數個類似TRAPPIST-1的行星系統，更多的處於宜居帶內的行星等待著我們去發現。人類是否是孤獨的？地外生命是什麼樣子的？或許在不遠的將來，這些問題都將得到解答。
· 黃碩，清華大學天文系博士，研究方向為系外行星。
· 克里斯·奧默爾（Chris Ormel），清華大學天文系教授。研究領域是行星形成，集中在利用各種數值和分析工具，瞭解原行星盤的結構以及系外行星種群的性質。
參考文獻：
［1］ “系外行星研究：尋找另一個地球”，作者：劉玉娟，《中國科學報》
https：//news。sciencenet。cn/sbhtmlnews/2019/11/351454。shtm？id=351454
［2］ Gillon， M。 et al。， Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1， 2017，
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［3］ Ormel， C。W。 et al。， Formation of TRAPPIST-1 and other compact systems， 2017，
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， Monthly Notices of the Royal Astronomical Society，
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［5］ Tamayo， D。 et al。 Convergent migration renders TRAPPIST-1 long-lived， 2017，
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［6］ Raymond， S。N。 et al。， An upper limit on late accretion and water delivery in the Trappist-1 exoplanet system， 2022，
Nature Astronomy，
6， 80-88
製版｜Livan
