TRAPPIST-1

一颗表面温度极低的红矮星

TRAPPIST-1,即2 质量 J23062928-0502285,是一颗表面温度极低的 红矮星 ,距离 地球 约39.13光年(12.0秒差距),位于 宝瓶座 。这颗极低温的红矮星体积只比 木星 稍大,并且辐射光度远低于 太阳 。

这颗超冷矮 恒星 半径是太阳的九分之一,温度比太阳低。天文学家于2017年2月在该恒星周围发现7颗 类地行星 ,是已知行星系统中拥有次多类地行星的系统,使其系统仅次于 太阳系 和 开普勒-90星系 。科学家说,学界有望在本世纪内验证它们能否孕育生命。

恒星状态

TRAPPIST-1是一颗超低温 矮星 (Ultra-cool dwarf),光谱类型M8.0±0.5。它的质量只有太阳的8.9%,半径只有太阳的11%,与 木星 接近,它的表面温度约2516 K,年龄在5.4~9.8 Gyr之间。相较之下, 太阳 年龄约4.57 Gyr,表面温度约5778K。

因为TRAPPIST-1的低光度,它的寿命也许可以达到12万亿年。同时,TRAPPIST-1是一颗富含金属的 恒星 ,其 金属量 ([Fe/H])为0.04,即是太阳的109%。它的光度只有0.0525%L☉,并且辐射能量大多在 红外线 部分。它的 视星等 为18.80,肉眼不可见。

系统特征

天文学家于2017年2月宣布在TRAPPIST-1周围发现7颗 类地行星 ,并且其中5颗(b、c、e、f、g)的体积与 地球 接近,另外两颗(d、h)的体积则在 火星 与地球之间。有3颗(e、f、g)的轨道位于 宜居带 内。其中较内侧的6颗 行星 的质量总和占母 恒星 的0.02%。

这7颗行星的平均密度在地球的0.75至0.99倍之间(地球密度ρ为5.52g/cm³),代表它们主要由岩石组成。其中6颗密度的误差范围过大,无法指出组成成分中是否有挥发物质与含量,只有TRAPPIST-1f的值为0.60±0.17 ρ ,暗示可能存在水冰层甚至大气层等挥发成分。

TRAPPIST-1的7颗行星公转轨道都远小于 水星 的公转轨道。最内侧的2颗(b与c)与母恒星距离只相当于 地球 与月球距离的1.6倍。每颗 行星 应该在彼此的天空中显著地交错出现,并且在某些情形下,所见到的直径会是地球上所见月球直径数倍。最靠近母恒星的行星其一“年”仅相当于1.51个地球日,而第6颗行星的轨道周期也只有12.35个地球日。第7颗行星的轨道周期大约是18.77个地球日,这是因为目前只观测到它的一次凌星现象。一般认为年轻 矮星 表面会发生频繁而强烈的耀斑,会使靠近母恒星的行星大气层被剥离。

轨道近共振

TRAPPIST-1系统中较内侧6颗行星的轨道几乎是 共振 的,分别具有大约24/24、24/15、24/9、24/6、24/4与24/3比例的相对周期,或者是与最近邻 天体 周期比例(方向向外)大约是8/5、5/3、3/2、3/2与4/3(即1.603、1.672、1.506、1.509和1.342)。这是 太阳系外行星 系统中已知最长的近共振链,并且这现象被认为是所有行星在距离母 恒星 更远处形成后,在残余的原 行星盘 内向内部迁移时互相交互作用造成。这样的向内迁移过程增加了 液态水 存在于这些 行星 表面的机率。最外侧行星的轨道周期仍无法得知较精确数值,无法得知是否与其他6颗行星共振。

行星大气光谱

因TRAPPIST-1系统规模相对较小,且行星通过恒星盘面与观测者之间时会产生凌星现象,天文学家可在TRAPPIST-1的行星凌星时观测恒星光通过行星大气层后的光谱变化以研究行星光谱。

从 哈勃空间望远镜 获得的TRAPPIST-1b与c合并透射光谱分析结果排除前述两颗 行星 大气层中主要是由氢组成的无云大气层可能性;因此它们不太可能有延伸到高处的高层大气层,除非是在高空处有较多云层。两颗行星其他大气层结构分布则是从无云水蒸气组成至类似 金星大气层 ,并且表现是无特征的连续谱。

透过 詹姆斯·韦伯空间望远镜 太空望远镜 ( JWST )与 欧洲极大望远镜 ( EELT )等未来望远镜的观测,天文学家预期将可观测到 行星 大气层内的 温室气体 成分,允许天文学家更精准地推测 太阳系外行星 表面状况。未来的望远镜观测结果或许还可以侦测到大气层内的 臭氧 与 甲烷 等允许生命存在的 化学 环境特征。

行星自转

TRAPPIST-1的所有7颗行星可能都已被 潮汐锁定 (即自转周期等于公转周期),这让该系统行星演化生命“更具挑战性” 。另一个较低的可能性则是某几颗 行星 被锁定在较高阶的自转 轨道共振 状态。

观察发现

2016年5月,位于 智利 的小型望远镜TRAPPIST首先发现该 恒星系统 中存在 行星 ,因此被命名为TRAPPIST-1。随后,在数个地面望远镜的支持下,位于太空的“斯必泽”红外望远镜确认该恒星系统存在7颗 行星 。

利用“斯必泽”的观测数据,天文学家精确测量了这7颗 行星 的体积,并且估算出其中6颗的质量,知道了行星的体积和质量,就能得出其密度。第7颗 行星 ,也就是最远的那颗质量还不太确定,估计是一颗冰冷的世界。

该系统中央 恒星 的质量大约是 太阳 的8%,半径大约是太阳的11%,表面温度为2550K。这7颗行星的轨道半径都比 水星 的轨道半径小,彼此靠得非常近。它们很可能已被 潮汐锁定 ,永远只有一面朝向中央恒星,因此上面的气候条件和地球上的截然不同。

2015年9月,由 列日大学 天文物理与地球物理研究所天文学家米夏埃尔·吉隆(Michaël Gillon)带领的团队使用位于智利拉西拉天文台的60厘米望远镜TRAPPIST观测TRAPPIST-1以寻找是否有 太阳系外行星 环绕。

借着观测凌星测光,该团队发现了三颗体积与 地球 相当的系外行星环绕TRAPPIST-1。

发现这三颗 行星 的团队自2015年9月至12月对TRAPPIST-1进行观测,并且成果于2016年5月的 英国 科学杂志《 自然 》期刊。

2017年2月22日,天文学家宣布在TRAPPIST-1周围再发现4颗行星。除了TRAPPIST,参与发现这4颗行星的望远镜还有 甚大望远镜 、 史匹哲太空望远镜 等等。至此环绕TRAPPIST-1的 行星 数量达到7颗,行星数量仅次于 太阳系 和 开普勒-90星系 。

由于该 恒星 在红外波段亮度较高,因此作为一款红外望远镜,“斯必泽”非常适合观测(由于冷却剂早已用光,目前该望远镜处于延长使用的K2任务阶段)。当2018年,更加灵敏的 詹姆斯·韦伯空间望远镜 (James Webb Space Telescope)升空之后,将能够探测到 太阳系外行星 大气中水、 甲烷 、 氧气 等化学成分的详细信息,甚至还能够得出它们的表面温度和大气压等信息,这对于判断是否真正宜居至关重要。

疑有生命

这三颗 行星 之中,较内侧的两颗已经被母 恒星 潮汐锁定 ,而最外侧的行星可能位于该系统的适居带内或外侧距离边缘不远处。

这三颗行星距离母恒星极近(分别为日地距离的1%、1.5%、3%),因此内侧两颗行星的轨道周期分别只有1.5和2.4日,而第三颗的轨道尚未完全确认,约在4.5至73日之间。

要注意的是,被潮汐锁定的 行星 可能会在永昼的昼半球和永夜的夜半球之间有极大温差,这可能会产生环绕行星的极强风。因此,这类行星昼半球与夜半球之间的晨昏圈可能是最适合生命生存的区域。

这3颗超 冷矮星 的大小和温度,与 地球 及 金星 十分相似。研究认为,鉴于它们的大小及与低强度 恒星 的距离,它们表面或有区域的温度适宜生存及容许 液态水 出现。

米夏埃尔·吉隆(Michael Gillon)表示,这是第一次在 太阳系 以外,发现在星球上可能有生物的痕迹,而且体积与地球相似,是目前最有潜质可作移居的星球。参与研究的 麻省理工学院 博士威特表示:“这次发现有如天文科学界中头奖。”

2017年2月23日凌晨2点,天文学家宣布,在距离 地球 40光年的单颗 恒星 周围发现7颗地球大小的 类地行星 ,其中3颗确定位于 宜居带 内,或许它们都有水存在。该发现一举打破了在太阳系外单颗 恒星 周围发现“宜居带内” 行星 数量的纪录。

“宜居带”(habitable zone)是指行星距离恒星远近合适的区域,在这一区域内,恒星传递给行星的热量适中,既不会太热也不太冷,能够维持 液态水 的存在。