王家驥

中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030

一個(gè)微型太陽系的發(fā)現(xiàn)及其意義

王家驥?

中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030

距太陽僅39光年外有7顆類似地球大小的行星，它們正圍繞一顆質(zhì)量只有太陽質(zhì)量8%的恒星運(yùn)轉(zhuǎn)。這些行星的軌道和木星的4顆伽利略衛(wèi)星的軌道差不多大，圍繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的周期只有一天半到十二多天。它們都很可能是石質(zhì)行星，有可能存在液態(tài)水和大氣，其表面至少有部分區(qū)域具有宜居條件。更多這樣的行星正在被發(fā)現(xiàn)，它們和上述行星在韋布太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射并投入科學(xué)觀測(cè)運(yùn)行后，將成為其優(yōu)先觀測(cè)目標(biāo)。那時(shí)，就可以對(duì)這些行星是否存在大氣以及如果的確存在大氣的話對(duì)其大氣成分得出結(jié)論，極有可能因此發(fā)現(xiàn)在某一顆或者幾顆太陽系外的行星上確實(shí)有生物存在的跡象。

太陽系外的行星；凌星；類地行星；宜居帶；外星生命

1 太陽系外行星搜索的主要方法

自從20多年前，人類首次在太陽系外發(fā)現(xiàn)了圍繞別的恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的行星以來，對(duì)這些行星的觀測(cè)已經(jīng)取得了重要的進(jìn)展。到目前為止，已有數(shù)千顆這樣的行星被發(fā)現(xiàn)。用于搜索系外行星的方法有很多種[1]，最常用的是兩種，即視向速度方法和凌星方法。

采用視向速度方法檢測(cè)太陽系外的行星，需要把相應(yīng)恒星的光分解成光譜，測(cè)量其中的譜線是否有周期性的位移，也就是恒星的視向速度有無周期性變化。這種變化是由圍繞這顆恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的行星對(duì)恒星的引力造成的，但由于行星與恒星相比質(zhì)量通常相差懸殊，因此恒星的視向速度的變化幅度一般很小。只有行星的質(zhì)量足夠大，軌道周期足夠短(也就是離恒星足夠近)，恒星的質(zhì)量足夠小，恒星視向速度的這種變化才有可能被檢測(cè)出來，既使如此仍需要分光系統(tǒng)產(chǎn)生的光譜有非常高的分辨率，通常要達(dá)到1 m/s的數(shù)量級(jí)。

要進(jìn)行高分辨率的分光觀測(cè)，光源在分光系統(tǒng)入射端必須有足夠高的照度，因此，視向速度方法只能用于較亮的恒星。恒星的亮度與恒星的發(fā)光強(qiáng)度也就是光度成正比，與其離開我們的距離平方成反比。恒星的光度則主要與恒星的質(zhì)量有關(guān)。處在青壯年時(shí)期的恒星，依靠在核心區(qū)域發(fā)生的氫聚變成氦的熱核反應(yīng)供能。在恒星的一生中，這一時(shí)期占了大部分時(shí)間，也比較穩(wěn)定，被稱為主序星階段。主序星的光度，與質(zhì)量的3～4次方成正比。

由此可知，大質(zhì)量恒星能量的消耗遠(yuǎn)比小質(zhì)量恒星快，因此，恒星的壽命也和恒星的質(zhì)量有非常密切的關(guān)系。恒星的質(zhì)量越大，壽命就越短，而且大質(zhì)量恒星和小質(zhì)量恒星的壽命相差非常懸殊。例如，太陽的壽命，是100多億年，而10M⊙(M⊙表示太陽質(zhì)量)的恒星，壽命就只有幾千萬年，相反太陽質(zhì)量一半的恒星，壽命則可達(dá)上千億年。按照地球上生物的進(jìn)化史，如果恒星的壽命只有幾億年甚至更短，那么圍繞它的行星上恐怕很難出現(xiàn)生物。只有在質(zhì)量和太陽差不多或者更小的恒星周圍的行星上，才會(huì)有足夠的時(shí)間產(chǎn)生類似地球上的生物。

我們搜索太陽系外的行星，其目的除了要證明在絕大多數(shù)恒星周圍都應(yīng)該存在圍繞它們轉(zhuǎn)動(dòng)的行星——這個(gè)宇宙中的普遍規(guī)律之外，更重要的是要尋找類似地球一樣的行星，并且判明在這些行星上是不是也存在各種各樣的生物，甚至也已經(jīng)進(jìn)化出了像人類這樣的智慧生物。鑒于這樣的目的，我們搜索的重點(diǎn)就應(yīng)該放在質(zhì)量和太陽差不多或者更小而且正處于主序星階段的恒星上。顯然，這些恒星的光度應(yīng)該和太陽差不多，甚至低很多。這些低光度的恒星，被天文學(xué)家們稱為“矮星”。

同一顆恒星，在望遠(yuǎn)鏡焦面上產(chǎn)生的照度與望遠(yuǎn)鏡的有效口徑成正比。因此，除了那些離太陽很近的恒星以外，要對(duì)一些光度很低的恒星作高分辨率的分光觀測(cè)，那這些恒星的距離就不能太遠(yuǎn)，而且望遠(yuǎn)鏡的口徑也必須足夠大。然而，現(xiàn)在國際上一些大口徑望遠(yuǎn)鏡，有很多別的同樣具有重要研究意義的天體需要觀測(cè)，能夠用來對(duì)太陽系外的行星進(jìn)行搜索的時(shí)間是非常有限的。

采用凌星方法測(cè)量的是行星在它所圍繞的恒星前方(相對(duì)于觀測(cè))通過時(shí)，由于掩食而造成的恒星亮度的暫時(shí)下降。當(dāng)然，這種下降的幅度也是非常小的，通常不到恒星亮度的百分之一，對(duì)于類似地球大小的行星，甚至只有萬分之幾。這就要求觀測(cè)所用的測(cè)光儀器具有很高的靈敏度，并且觀測(cè)結(jié)果具有很高的信噪比。美國的開普勒太空望遠(yuǎn)鏡，就是一架專門采用這種方法搜索太陽系外行星的望遠(yuǎn)鏡，之所以被發(fā)射到太空中去觀測(cè)，就是為了消除地球大氣造成的噪聲。至今，這架望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)確認(rèn)了2000多顆行星，而有待進(jìn)一步確認(rèn)的行星則更多。

開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的成功，使得歐洲南方天文臺(tái)在位于智利的拉西拉天文臺(tái)安裝了一架專門用于用凌星方法搜索太陽系外行星的望遠(yuǎn)鏡。這架望遠(yuǎn)鏡的口徑只有0.6 m，造價(jià)相對(duì)低廉，它被稱為“凌星行星和星子小望遠(yuǎn)鏡”(TRAPPIST)。它的觀測(cè)操作和數(shù)據(jù)傳送完全機(jī)器人化，在每一個(gè)晴夜可以按照預(yù)設(shè)的指令不間斷地自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，用7種不同的可見光和近紅外光波段對(duì)目標(biāo)恒星進(jìn)行高精度測(cè)光[2]。

2 TRAPPIST-1行星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)

TRAPPIST與現(xiàn)在國際上口徑最大的望遠(yuǎn)鏡相比，是一架很小的望遠(yuǎn)鏡。它的優(yōu)點(diǎn)在于投資小、制造快，可以專用于特定的觀測(cè)項(xiàng)目。事實(shí)上，這架望遠(yuǎn)鏡就是為一項(xiàng)名為“超冷矮星凌星巡天”的觀測(cè)計(jì)劃建造的。

處在主序星階段的恒星，它的質(zhì)量不但決定了其光度的高低，而且還決定了其表面有效溫度的高低。質(zhì)量越小的恒星，表面有效溫度就越低。表面有效溫度很低的恒星，發(fā)出的光偏紅，因此被稱為紅矮星。所謂“超冷矮星”，是指表面有效溫度低于2700 K的恒星和類似恒星的天體。這些天體的質(zhì)量小于1/10M⊙，在紅矮星里面也是屬于質(zhì)量最小的，有的甚至還稱不上真正的恒星，只能稱為“類似恒星的天體”(不過在很多情況下為簡單起見還是被統(tǒng)稱為恒星)。后一類天體的質(zhì)量小于8%M⊙(或者說約木星質(zhì)量的80倍)，這些天體由于質(zhì)量太小，中心處由于物質(zhì)引力產(chǎn)生的壓強(qiáng)和溫度不足以維持穩(wěn)定的氫聚變成氦的熱核反應(yīng)，主要只是依靠把引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成熱能來發(fā)出微弱的暗紅色光，因此被稱為“褐矮星”。據(jù)估計(jì)，在太陽附近的恒星和類似恒星的天體中，這樣的超冷矮星約占15%。

TRAPPIST為什么要以這樣的一些天體作為搜索太陽系外的行星的目標(biāo)呢？首先，這些恒星都是光度很低的天體，直徑和類地行星相差不大，因此在圍繞這類恒星運(yùn)行的地球大小的行星發(fā)生凌星時(shí)，恒星亮度的相對(duì)下降可以達(dá)到或者接近1%，也就可以被地面上的這樣一架小望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)到，并且具有足夠的信噪比。

其次，是這些恒星的壽命都很長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過太陽，因此在這些恒星周圍的行星中，只要行星處在宜居帶內(nèi)且其表面擁有適宜的空氣、水等條件，就能有足夠的時(shí)間像地球一樣進(jìn)化出各種生物，甚至像人類一樣的智慧生物。而且，這些低光度的恒星離地球相對(duì)比較近，未來人類也許可以通過航天飛行去那里進(jìn)行無人甚至載人的實(shí)地探測(cè)，一些人幻想中的向那里移民也似乎有一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的可能。

TRAPPIST對(duì)恒星TRAPPIST-1的觀測(cè)，自2015年9月17日到12月28日，用了62個(gè)夜晚共計(jì)245 h[3]。TRAPPIST-1不是一顆新發(fā)現(xiàn)的恒星，2003年發(fā)布的《2微米全天巡天星表》中，記載了這顆恒星名稱為2MASS J23062928—0502285，位于寶瓶座內(nèi)，離太陽39光年，在目視光波段亮度將近19星等，但在紅外光波段為14星等甚至更亮。它的光度只有太陽的約萬分之五，質(zhì)量約為8%M⊙，內(nèi)部剛好可以有穩(wěn)定的熱核反應(yīng)，表面有效溫度為2550 K，半徑約為1/10R⊙(R⊙表示太陽半徑)，自轉(zhuǎn)周期1.4 d，年齡超過5億年。與太陽系內(nèi)的木星相比，這顆超冷矮星的質(zhì)量約為木星的84倍，而兩者的直徑很接近(圖1)，木星的自轉(zhuǎn)周期則為0.4 d。

2016年5月，實(shí)施TRAPPIST觀測(cè)項(xiàng)目的比利時(shí)列日大學(xué)的吉隆(Gillon)及其合作者在他們的論文中報(bào)告，檢測(cè)到了3顆圍繞TRAPPIST-1運(yùn)行的地球大小的行星[3]。按照慣例太陽系外行星使用它們所圍繞恒星的名稱命名，在其之后附加小寫的拉丁字母，從b開始順次命名(字母a不使用，暗含著a就是這顆恒星本身)，因此這三顆行星分別被稱為TRAPPIST-1b、TRAPPIST-1c和TRAPPIST-1d。檢測(cè)到這些行星的凌星信號(hào)共有11次，變幅接近1%。

圖1 TRAPPIST-1行星系統(tǒng) [4] (圖中繪出了圍繞超冷矮星TRAPPIST-1運(yùn)轉(zhuǎn)的7顆地球大小的行星，按測(cè)量得到的繞轉(zhuǎn)周期排列，并與木星的4顆伽利略衛(wèi)星繞木星和太陽系內(nèi)層的4顆行星繞太陽的周期作比較，其中所有天體的大小近似地按比例繪制)

吉隆等在這篇論文中還報(bào)告了用位于智利的歐洲南方天文臺(tái)8 m口徑甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)、位于夏威夷的3.8 m英國紅外望遠(yuǎn)鏡(UKIRT)和位于印度的喜馬拉雅錢德拉2 m望遠(yuǎn)鏡(HCT)做的后繼觀測(cè)。他們把這些數(shù)據(jù)和用TRAPPIST獲得的數(shù)據(jù)合在一起，定出TRAPPIST-1b和TRAPPIST-1c繞TRAPPIST-1轉(zhuǎn)動(dòng)的周期分別為1.51 d和2.42 d。TRAPPIST-1d由于觀測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)，其周期有 11 個(gè)可能的數(shù)值，從4.5～72.8 d，甚至不能排除被認(rèn)為是它造成的兩次凌星有可能是由兩顆不同的行星產(chǎn)生的。

TRAPPIST-1d檢測(cè)結(jié)果的不確定使得吉隆等人后來又對(duì)它的觀測(cè)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行了更仔細(xì)的分析，他們發(fā)現(xiàn)，2015年12月11日發(fā)生的那次凌星原來以為僅是TRAPPIST-1c與TRAPPIST-1d兩顆行星差不多同時(shí)發(fā)生凌星，但實(shí)際上是3顆行星幾乎同時(shí)發(fā)生凌星。也就是說，原來被誤認(rèn)為是TRAPPIST-1d的凌星，實(shí)際上是另外兩顆行星TRAPPIST-1e和TRAPPIST-1f同時(shí)發(fā)生的凌星(圖2)。因此，2015年9月29日觀測(cè)到的TRAPPIST-1d凌星就只是一個(gè)孤例，它的繞轉(zhuǎn)周期也就無從測(cè)定，原來認(rèn)為的11個(gè)可能的數(shù)值，現(xiàn)在看來應(yīng)該全都是不正確的。

圖2 TRAPPIST-1c、TRAPPIST-1e和TRAPPIST-1f三顆行星在2015年12月11日的凌星[5] (上方是這次凌星的光變曲線，黑點(diǎn)表示由甚大望遠(yuǎn)鏡的圖像提取的測(cè)光數(shù)據(jù)，垂直的短線段是相應(yīng)的形式標(biāo)準(zhǔn)誤差，紅線表示最佳擬合模型；下方是根據(jù)最佳擬合模型推測(cè)的在三個(gè)不同時(shí)間三顆行星相對(duì)于恒星圓面的位置，紅色表示TRAPPIST-1c，黃色表示TRAPPIST-1e，綠色表示TRAPPIST-1f，相應(yīng)顏色的直線表示對(duì)應(yīng)的行星軌道平面)

上述新的發(fā)現(xiàn)，促使吉隆等人在2016年接著對(duì)TRAPPIST-1進(jìn)行觀測(cè)，使用的望遠(yuǎn)鏡有斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡、位于智利的TRAPPIST、位于摩洛哥的一架新TRAPPIST(它被稱為北TRAPPIST，而位于智利的那一架也就被稱為南TRAPPIST)、位于夏威夷的UKIRT、位于西班牙拉帕爾馬的4 m口徑的威廉?赫歇爾望遠(yuǎn)鏡和利物浦的2 m口徑望遠(yuǎn)鏡、南非天文臺(tái)的口徑1 m的望遠(yuǎn)鏡。尤其是從9月19日到10月10日，用斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡在波長4.5 μm處和地面望遠(yuǎn)鏡協(xié)同對(duì)這顆恒星進(jìn)行了幾乎連續(xù)的監(jiān)測(cè)(圖3)。

吉隆等人[5]在2017年2月再次發(fā)表論文，報(bào)告了他們新的觀測(cè)結(jié)果，認(rèn)為在TRAPPIST-1周圍至少有7顆行星。 根據(jù)這些觀測(cè)結(jié)果確定了TRAPPIST-1d、TRAPPIST-1e、TRAPPIST-1f和TRAPPIST-1g的繞轉(zhuǎn)周期，分別為4.04 d、6.06 d、8.1 d和12.3 d。位于最外層的行星TRAPPIST-1h，由于只有一次凌星的觀測(cè)結(jié)果，繞轉(zhuǎn)周期尚無法確定。

圖3 斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡從2016年9月19日起至2016年10月10日對(duì)TRAPPIST-1行星系統(tǒng)凌星的觀測(cè)數(shù)據(jù)[5] (在每幅圖中的上方，暗黑色的點(diǎn)代表用斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)恒星進(jìn)行接近連續(xù)的觀測(cè)得到的測(cè)光結(jié)果，而淺灰色的點(diǎn)代表在斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的間斷處用地面的望遠(yuǎn)鏡采集的測(cè)量結(jié)果，下方彩色的菱形顯示相應(yīng)行星凌星的時(shí)間，不同顏色所表示的行星在上圖的右上角標(biāo)明)

吉隆等在2017年2月的論文中報(bào)告，他們用一種自適應(yīng)的馬爾可夫鏈蒙特卡洛方法，對(duì)所有凌星的光變曲線進(jìn)行了逐個(gè)分析，測(cè)量它們的深度、持續(xù)時(shí)間和定時(shí)，并對(duì)除了位于這個(gè)行星系統(tǒng)最外側(cè)TRAPPIST-1h外的其余6顆行星得出凌星時(shí)刻。這些時(shí)刻與按它們的繞轉(zhuǎn)周期推測(cè)的數(shù)值相比，變化幅度從幾十秒到超過30 min，表明這些行星之間有顯著的引力相互作用，并對(duì)它們圍繞恒星的轉(zhuǎn)動(dòng)造成了不同程度的攝動(dòng)。

由于斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的凌星數(shù)據(jù)總的來說具有較高的精密度，于是他們對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了整體性的馬爾科夫鏈蒙特卡洛分析，確定7顆行星的軌道和物理參數(shù)。他們根據(jù)n體動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果假定，所有的行星均具有圓形軌道。為了考慮行星與行星之間的相互作用，把6顆位于內(nèi)側(cè)的行星凌星時(shí)刻變化作為自由參數(shù)。

再進(jìn)一步，吉隆等人把如上分析得到的結(jié)果用來研究凌星時(shí)刻的變化本身。他們作了一系列解析的和數(shù)值的n體積分，得出了6顆位于內(nèi)側(cè)行星的初步質(zhì)量估計(jì)以及其軌道偏心率。所得結(jié)果表明，行星b、c、e、f和g的大小與地球類似，而行星d和h的大小則介于火星(半徑約為地球的一半)和地球之間。根據(jù)初步的質(zhì)量密度估計(jì)，大體上可以判斷這些行星均是石質(zhì)行星，但僅僅根據(jù)這些只能判定TRAPPIST-1f可能有冰和大氣。

根據(jù)吉隆等人得到的這些初步結(jié)果，該行星系統(tǒng)看上去竟然與木星的4顆伽利略衛(wèi)星和木星之間的構(gòu)形非常相像(圖1)。而且，這個(gè)行星系統(tǒng)中位于內(nèi)側(cè)的6顆行星加在一起的質(zhì)量是它們所圍繞的恒星質(zhì)量的萬分之二，這和木星的4顆伽利略衛(wèi)星和木星的質(zhì)量比也相同。另外，這些行星的軌道傾角非常接近90°，即它們的軌道平面幾乎是以側(cè)面對(duì)著我們，并且像伽利略衛(wèi)星一樣具有共面性，即其軌道幾乎在同一平面內(nèi)(圖4)。

圖4 TRAPPIST-1行星系統(tǒng)七顆行星軌道的示意圖[5](代表每顆行星的顏色與圖3相同，灰色的圓環(huán)和兩條虛線表示恒星周圍可以在一顆類似地球的行星上表面存在豐富的、長期的液態(tài)水(即海洋)的區(qū)域，即宜居帶，圖中行星的相對(duì)位置則對(duì)應(yīng)于吉隆等人第一次檢測(cè)到這顆恒星上由TRAPPIST-1c產(chǎn)生的凌星時(shí)刻，觀察者位于圖的右側(cè)，1AU表示日地平均距離)

這個(gè)行星系統(tǒng)與木星的伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)之間的相似性，也許意味著兩者有類似的形成機(jī)制。這些行星，最初應(yīng)該是在圍繞著中央的初生恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的氣體和塵埃盤中，通過一些被稱為星子的粒子和團(tuán)塊相互撞擊和合并生成的。它們的形成地點(diǎn)最初應(yīng)該比現(xiàn)在更靠外側(cè)，然后由于中央恒星對(duì)盤內(nèi)物質(zhì)的引力吸積作用，向內(nèi)遷移到了現(xiàn)在的位置。這些行星的成分應(yīng)該是它們最初形成的區(qū)域的反映，因此這些行星都應(yīng)該富含揮發(fā)物(例如水和大氣)，就像對(duì)TRAPPIST-1f初步判明的那樣。

3 發(fā)現(xiàn)TRAPPIST-1行星系統(tǒng)的意義

在一顆離我們相對(duì)來說很近的超冷矮星周圍，竟然有著7顆表面可能存在液態(tài)水的和地球大小差不多的行星。如果這樣的情況在行星系統(tǒng)中很常見，那么在我們的銀河系中就可能到處有類似地球的行星。

在銀河系中，大多數(shù)恒星的質(zhì)量比太陽小。例如，根據(jù)太陽附近幾十光年內(nèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，質(zhì)量在8%M⊙～M⊙范圍內(nèi)的恒星數(shù)量是質(zhì)量在M⊙～80M⊙范圍內(nèi)恒星數(shù)量的13倍。因此，吉隆等人的發(fā)現(xiàn)的一個(gè)重要意義，就是進(jìn)一步表明，類似地球這樣大小的行星在銀河系中應(yīng)該是很多的，在一些質(zhì)量類似太陽或者更小的恒星周圍應(yīng)該普遍存在。

這樣的行星，它們的軌道平面與我們觀測(cè)它們時(shí)視線的夾角應(yīng)該是隨機(jī)分布的，因此，能夠被觀測(cè)到凌星現(xiàn)象的——僅僅從幾何的角度考慮——也只是極少數(shù)。正如荷蘭萊頓大學(xué)的斯奈倫(Snellen)[4]在他的短評(píng)中所說：“對(duì)于每一顆已發(fā)現(xiàn)的凌星行星，應(yīng)該有多得多的類似行星(20～100 倍)，從地球上看，決不會(huì)在它們所環(huán)繞的恒星面前通過。當(dāng)然，這些研究人員可能很幸運(yùn)，可是在一個(gè)如此小的樣本中發(fā)現(xiàn)7顆地球大小的凌星行星，這意味著擁有4顆地球大小(甚至比地球還小)的行星的太陽系可能并沒有什么不尋常的?！?/p>

在過去的二十來年中，人們發(fā)現(xiàn)的太陽系外行星，雖然數(shù)量已經(jīng)不少，可是，從這些行星的質(zhì)量分布來說，幾乎都比地球大，很多甚至比木星的質(zhì)量還大[1]；從而似乎造成了一種錯(cuò)覺，類似太陽系這樣的情況，質(zhì)量類似地球或者比地球小的行星，反而倒是很罕見的；并因此得出，能夠像地球一樣存在多種多樣的生物甚至智慧生物的行星，在銀河系中似乎是絕無僅有的，至少可以說極其罕見。

吉隆等人的發(fā)現(xiàn)，破除了上述的錯(cuò)覺，盡管僅僅根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，還無法斷定那個(gè)行星系中是否在某顆行星上一定會(huì)有類似地球這樣的生物圈，是否已經(jīng)或者將會(huì)進(jìn)化出與人類相似的智慧生物，甚至無法斷定在這些行星上是否有液態(tài)水和適合生物生存的大氣。為此，尚需要開展進(jìn)一步的觀測(cè)和研究。

據(jù)吉隆等人對(duì)觀測(cè)結(jié)果的分析，在TRAPPIST-1星系已發(fā)現(xiàn)的7顆行星上，具有足夠低的平衡溫度，使得它們的表面可能存在液態(tài)水。同時(shí)也指出，“鑒于它們的軌道離恒星很近，這些行星很可能已被潮汐鎖定——也就是說，它們的自轉(zhuǎn)，已經(jīng)通過與其所圍繞恒星的潮汐相互作用，達(dá)到繞轉(zhuǎn)同步。”[3]

如果這些行星的自轉(zhuǎn)確實(shí)如此，那么盡管這些行星有多顆處于TRAPPIST-1的宜居帶內(nèi)，但它們恒定地朝向恒星的一面，很大一片區(qū)域的表面溫度無疑會(huì)過高，而恒定地背對(duì)著恒星的一面，表面溫度則會(huì)過低。也許會(huì)有一些宜居的區(qū)域出現(xiàn)在行星表面的明暗界限附近，更進(jìn)一步，大氣和海水的流動(dòng)也有可能會(huì)使得宜居區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大一些，甚至在它們的黑夜一側(cè)也出現(xiàn)宜居區(qū)。另外，這樣的潮汐鎖定，使得那些處在TRAPPIST-1的宜居帶外的行星，在表面的某些區(qū)域也有可能存在宜居條件。然而這都是推測(cè)，需要對(duì)這些行星進(jìn)行更詳盡細(xì)致的研究才能最終判明。

吉隆等人[3]指出：“這些行星的大氣特性及其宜居性，將取決于一些未知的因素。這些因素包括行星的成分、形成和動(dòng)力學(xué)歷史(遷移和潮汐)、恒星的極紫外光流量過去的演化和現(xiàn)有水平(在過去，或許甚至現(xiàn)在，很有可能足夠強(qiáng)大，以致明顯地改變行星的大氣成分)，以及過去和現(xiàn)在大氣補(bǔ)充機(jī)制(隕星撞擊和火山活動(dòng))的幅度。幸運(yùn)的是，TRAPPIST-1 的行星特別適合于對(duì)其大氣特性作詳細(xì)研究——特別是通過透射光譜，因?yàn)榱栊切盘?hào)與它們所繞轉(zhuǎn)的恒星的半徑平方成反比，而后者對(duì)于 TRAPPIST-1 而言只有太陽半徑的 12% ?！?/p>

吉隆等[3]展望了未來的工作：“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)據(jù)將為這些行星大氣的延伸范圍和成分提供初步的認(rèn)識(shí)。 下一代的天文觀測(cè)設(shè)備則會(huì)為更深入地了解它們的大氣特性進(jìn)行探索。特別是，由韋布太空望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)據(jù)，應(yīng)該會(huì)對(duì)大氣溫度，一些具有強(qiáng)大吸收帶分子的豐度，包括一些可能的生物標(biāo)志物，例如水、二氧化碳、甲烷和臭氧，得出強(qiáng)有力的測(cè)定結(jié)果。”

斯奈倫[4]在他的短評(píng)中也說：“吉隆等人很快將加緊他們?cè)谔柕泥従又兴阉鲊@那些最小的恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的行星，這個(gè)項(xiàng)目稱為SPECULOOS(與超冷恒星交食的宜居行星搜索)，它將使用4架位于地面的1 m望遠(yuǎn)鏡，并把這些研究人員的恒星樣本增加到了原來的10倍。此外，美國航空航天局計(jì)劃發(fā)射TESS(系外行星凌星巡天衛(wèi)星)，這是一架太空望遠(yuǎn)鏡，將用兩年的時(shí)間確定天空中超過200000顆最亮的恒星周圍的行星，其中包括約10000顆矮星。雖然TESS監(jiān)測(cè)的恒星將不像TRAPPIST-1那樣小，但是在太空中獲得的高精度觀測(cè)結(jié)果將對(duì)較弱的測(cè)光信號(hào)起補(bǔ)充作用，以便能準(zhǔn)確地查明這類恒星周圍地球大小行星的顆數(shù)。”

斯奈倫還談到了韋布太空望遠(yuǎn)鏡將能發(fā)揮的重要作用，他說：“令人興奮的是，我們可能很快就會(huì)查明，在圍繞TRAPPIST-1轉(zhuǎn)動(dòng)的7顆姐妹行星上，狀況可能會(huì)是什么樣。定于2018年發(fā)射的韋布太空望遠(yuǎn)鏡，將能檢測(cè)這些行星的大氣成分和來自它們的熱輻射，分別推測(cè)它們的化學(xué)組成和氣候。”

關(guān)于太陽系外行星的新發(fā)現(xiàn)消息正在不斷傳來。2017年4月，英國基爾大學(xué)的索思沃思(Southworth)及其合作者[6]發(fā)表論文報(bào)告了他們對(duì)另一顆太陽系外的行星GJ 1132b的觀測(cè)結(jié)果。這顆行星所圍繞的恒星GJ 1132是一顆紅矮星，也離我們約39光年，位于完全不同方向上的船帆座內(nèi)。他們使用歐洲南方天文臺(tái)和德國馬克斯?普朗克學(xué)會(huì)位于智利拉西拉天文臺(tái)的一架2.2 m望遠(yuǎn)鏡對(duì)這顆行星的9次凌星進(jìn)行7種波長同時(shí)觀測(cè)。

他們的觀測(cè)結(jié)果得出，這顆行星的半徑，對(duì)所有波段的結(jié)果取平均，為(1.43±0.16)R⊕(R⊕表示地球半徑)，而恒星的半徑為(0.255±0.023)R⊙。他們發(fā)現(xiàn)，有兩個(gè)波段觀測(cè)到的行星半徑比別的波段觀測(cè)到的大，其中一個(gè)波段的半徑增大的幅度比標(biāo)準(zhǔn)誤差大了4倍 ，從而強(qiáng)有力地證明已經(jīng)檢測(cè)到了大氣。他們據(jù)此定出行星的“表面半徑”約為 1.375R地，認(rèn)為在此表面上覆蓋著一層大氣，而且不透明度很高，很可能是由水和(或)甲烷組成，或者還有迄今未被考慮的原因造成的不透明度。但由于這顆行星比地球熱得多，它可能是一個(gè)帶有熱蒸氣大氣層的“水世界”。

然后更近一些，美國哈佛-史密森天體物理中心的迪特曼(Dittmann)等[7]，又報(bào)告了一顆太陽系外的行星LHS 1140b的觀測(cè)結(jié)果。這顆行星所圍繞的恒星LHS 1140很巧離我們也是約39光年，但位于鯨魚座內(nèi)，也是一顆紅矮星。他們的觀測(cè)結(jié)果給出這顆行星的半徑為1.4R⊕，質(zhì)量是6.6M⊕(M⊕表示地球質(zhì)量)，因此也應(yīng)該是石質(zhì)行星。它所接受到來自恒星的輻照為地球所接受到太陽輻照的46%，應(yīng)該是處在能夠擁有液態(tài)水的宜居帶內(nèi)。

可以相信，這些太陽系外的行星，在韋布太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射并投入科學(xué)觀測(cè)運(yùn)行后，都將成為它的優(yōu)先觀測(cè)目標(biāo)。那時(shí)，就可以對(duì)這些行星上究竟是否存在大氣以及如果存在其大氣的具體成分得出最終的結(jié)論。很可能，我們就可以由此發(fā)現(xiàn)在某一顆或者幾顆太陽系外的行星上確實(shí)有生物存在的跡象。或許，我們?cè)谟钪嬷写_實(shí)并不孤獨(dú)。

(2017年4月24日收稿)■

[1] 王家驥. 尋找太陽系外的宜居行星[J]. 自然雜志, 2014, 36: 105-115.

[2] GILLON M, JEHIN E, MAGAIN P, et al. TRAPPIST: a robotic telescope dedicated to the study of planetary systems [J]. EPJ Web Conference, 2011, 11(2): 06002.

[3] GILLON M, JEHIN E, LEDERER S M, et al. Temperate Earth-sized planets transiting a nearby ultracool dwarf star [J]. Nature, 2016, 533:221-224.

[4] SNELLEN I A G. Earth’s seven sisters [J]. Nature, 2017, 542: 421-423.

[5] GILLON M, TRIAUD A H, DEMORY B O, et al. Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1[J]. Nature, 2017, 542: 456-460.

[6] SOUTHWORTH J, MANCINI L, MADHUSUDHAN N, et al.Detection of the atmosphere of the 1.6 M⊕exoplanet GJ 1132 b [J].The Astronomical Journal, 2017, 153: 191.

[7] DITTMANN J A, IRWIN J M, CHARBONNEAU D, et al. A temperate rocky super-Earth transiting a nearby cool star [J]. Nature,2017, 544: 333-336.

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Finding of a mini-solar system and its implications

WANG Jiaji
Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China

Just 39 lightyears from the sun, 7 earth-sized planets are orbiting a star whose mass is only about eight percent of that of the Sun. The orbits of these planets are only about as large as those of Jupiter’s Galilean moons, and the periods of orbiting around the star are only one and a half days to about twelve days. They are likely to be rocky planets, which may have liquid waters and atmospheres and have habitable conditions in at least some areas on their surfaces. More such planets are being found, which will be the preferred targets of scienti fi c observations after the operation of the James Webb Space Telescope that will be launched. At that time, it is possible to draw the conclusions on whether these planets have atmospheres and what compositions the atmospheres made up of if they do exist. It is quite possible that we can fi nd out life signatures on one or a few extrasolar planets.

exoplanet, transit, terrestrial planet, habitable zone, extraterrestrial life

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.05.007

?通信作者，E-mail:wangjj586@163.com

(編輯：溫文)