據頭條號“中國科普博覽”23日報道，在北京時間23日凌晨召開的新聞發布會上，NASA又宣布了一個令人吃驚又興奮的新發現：科學家們通過斯皮策紅外太空望遠鏡，在距離地球39光年的地方，首次發現了7個地球大小的行星圍繞一顆恒星運行的行星系統，更重要的是，其中3顆行星位于母恒星TRAPPIST-1的宜居帶內。（圖1）
圖1：TRAPPIST-1系統圖。
這一發現刷新了太陽系外圍繞一顆恒星運行的宜居行星數量。在此前發現的30多個宜居系統中，每個系統中都只有一顆宜居行星。這一次，在一個系統當中找到三顆宜居行星，賺到了！麻省理工學院教授Sarah Seager在發布會上說：“從無到有（指此次在一個恒星周圍存在多個類地系統的發現）通常困難重重，但從1到更多會相對更容易。”此次多個類地行星系統的發現，或許會為地外生命的探尋開辟一個新的方向
在2015年發現“地球大表哥”開普勒452B和2016年發現“地球孿生哥哥”比鄰星b之后（圖2），“地球兄弟團隊”也在不斷擴充之中。
圖2：地球分別和開普勒452B（左）、比鄰星b（右）大小比較圖。
7顆“戀母”行星：距離恒星較近，科學家20天看遍
這是人類首次發現如此多的類地行星在一個恒星周圍繞轉，甚至比圍繞太陽轉動的類地行星還要多（太陽系中只有4個巖質的類地行星，分別是水星，金星，地球和火星）。自從人類在90年代初探測到第一個地外行星以來，截至2017年2月15日，天文學家們已經在2687顆恒星周圍發現了5000多顆地外行星。盡管和地球尺寸大小差不多的行星有可能占到了20%左右，但是根據地球相似指數判斷，只有2個（Kepler 438b和KOI-4878.01）和地球相似，所以類地行星是及其稀少的。
確認行星本身的存在和數量比較容易，而確定行星的構成則相對比較困難，需要我們對行星的質量和半徑進行測量之后，才有可能做出估計。對于目前探測到的絕大多數地外行星而言，因為質量和半徑不易測量，我們很難最終確定行星的構成。
在這次新發現的七星系統中，7顆行星距離恒星TRAPPIST-1都非常近，行星運行的軌道平面又非常適于觀測，天文學家們才有機會確定這些行星的性質。
這7兄弟距離它們的母星究竟有多近呢？如果以太陽系做類比的話，這7個地球大小的行星都被壓縮在水星的軌道之內。最近的一顆行星TRAPPIST-1b，差不多只有地球到太陽距離的1/100（參見圖3），水星到太陽距離的1/30；最遠的行星TRAPPIST-1h，也只有水星到太陽距離的1/6。正是因為距離甚近，七顆行星的公轉周期很短——最短的1.5天，最長的也只有20天，于是，天文學家們在利用美國斯皮策紅外望遠鏡對這一系統進行了持續20天的觀測之后，就幾乎很好地了解了所有這些行星的基本性質。當然，因為老七最遠，觀測時長和它的轉動周期差不多，所以我們在這20天里對它的了解是最少的。
圖3：此系統各個行星參數和太陽系巖質行星參數比較。
TRAPPIST-1（中譯名為“特拉比斯特-1”）——這個中心恒星的名字聽起來十分古怪，其實，它源自一個叫做“TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope–South”（TRAPPIST；行星和星子凌星的小望遠鏡系統）的望遠鏡項目。該項目利用位于智利拉息拉天文臺（La Silla observatory）一個口徑60厘米的小型望遠鏡，在紅外波段對太陽系附近的超冷褐矮星光變曲線進行監測（之所以利用紅外波段是因為母星溫度比較低，主要輻射在紅外波段），試圖探測到其周圍的行星。
我們如何尋找近40光年之外地球的兄弟呢？行星探測方式有許多種，常用的有視向速度法、凌日法、微引力透鏡法，還有直接成像法等，全都介紹一遍得用上幾節課的時間。對于TRAPPIST項目來說，顧名思義，它所使用是凌星法——當行星從恒星前方經過時，由于行星的遮擋效應，會使恒星星光在一定程度上變暗（其實變化極其微小，最大只有百分之一），我們從而可以推斷行星的存在。
此次新聞發布會的主角TRAPPIST-1是該項目所發現的第一個超冷矮星系統（注：超冷矮星，指質量通常只有幾十個木星質量的恒星）。2016年5月的時候，歐洲和美國的科學家們曾聯合利用此望遠鏡和更大口徑的甚大望遠鏡（Very LargeTelescopes）對此系統進行觀測，發現了三顆行星。而這一次，他們更進一步，利用口徑0.85米的斯皮策太空紅外望遠鏡，不僅對原已發現的行星做出了進一步確認，而且又發現了另外四顆類似行星（圖4）。
圖4：斯皮策望遠鏡（左）所觀測到的7個行星的光變曲線示意圖（右），凹陷的地方是因為行星的遮擋效應。
3顆宜居星球：雖有生命希望，然而危機重重
更重要的是，在新發現的4顆行星中，竟然有3顆行星位于我們一直在努力探索的宜居帶中，也就是人們常說的“金發姑娘區”（Goldilocks Zone）。按照我們目前對于生命的理解，液態水是生命存在的最基本要求。所以一顆恒星既不能距離恒星太近，也不能距離恒星太遠——太近，行星表面就會太熱；太遠，行星表面又太冷——都無法產生液態水存在的條件。當然，對于不同大小和溫度的恒星而言，宜居帶的位置和寬度會又差別。
在我們的太陽系中，金星、地球和火星位于宜居帶中。和業已50億歲的太陽相比，TRAPPIST-1系統中心的恒星TRAPPIST年齡只有5億年，尺寸要比太陽小很多，直徑只有太陽的1/10，僅比木星稍微大一點點（圖5）。與此同時，它的溫度也很低，表面溫度大約為2550開爾文，所對應的亮度只有太陽的1/2000。由此我們不難想見，它的宜居帶也比太陽系里的宜居帶更加靠近中心恒星。
在這七兄弟當中，1e、1f 和1g三顆行星被認為是最有可能存在液態水的（圖6）。盡管中心恒星的亮度相比太陽而言十分微弱，但因為它們距離恒星很近，所以接收到的中心輻射也不算弱——1e接收到的光和地球所接收的太陽光差不多，1f上的光和火星上的相似。
圖5：TRAPPIST系統和木星衛星大小比較圖。
圖6：綠色區域代表宜居帶。
圖7：1f上的想象圖。
地球究竟是不是宇宙中孤獨的生命載體？這是天文學家們一直以來在努力解答的問題，也是人類尋找宜居星球的初衷。盡管單從距離的角度判斷，這幾個行星都比較適合于生命的發展，但是生命是否真正存在，還取決于很多其他因素。
至少對于1e、1f和1g三顆宜居行星而言，生命存在并不樂觀。這主要因為它們距離中心恒星比較近，很有可能已經被潮汐鎖定——就像月球總是把自己的正面對著地球一樣——這些行星有可能總是以固定某一面對著中心恒星，這對于生命的發展是很不友好的。
但宇宙又往往給我們以驚喜，生命也時常存在于我們意想不到的環境之中。生命的活動通常會在行星的大氣中留下一些特征，所以關于這些行星中究竟有無生命存在，還需要我們對它們的大氣展開進一步觀測分析。
明年即將發射的韋伯紅外望遠鏡，憑借著其巨大的口徑和強大的觀測能力，或許會告訴人類這些行星上有無生命的答案。讓我們在為努力探索的科學家們歡呼加油的同時，一同期盼宇宙深處生命信號的到來。
出品：科普中國
制作：黑洞來客團隊 茍利軍 黃月
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
http://www.guancha.cn/scroll-news/2017_02_23_395660.shtml
