40光年外的迷你太陽系，我們有了哪些新認識？
（艾麥樂編譯）一年前，天文學家宣布發現TRAPPIST-1行星系，包含7顆類地行星，環繞著一顆溫度超低的紅矮星運行。這是一項重大的天文學發現，因為這類低質量恆星是銀河系裡為數最多的恆星，在其中一顆周圍發現潛在的宜居行星，讓很多人猜測生命可能存在於那裡，存在於我們銀河系中其他類似的恆星周圍。
這一發現還激勵全世界的天文學家進行了許多額外的研究，動用了更多的設備，運行了複雜的模型，以更好地了解這個行星系統，以及它擁有生命的潛力。
如今，一年多過去了，現在是時候來更新一下，關於這個距離地球40光年的行星系統，我們又有了哪些新的認識。
更好地了解這一行星系統
在2016年12月到2017年3月之間，執行K2任務的開普勒空間望遠鏡收集了更多關於TRAPPIST-1的觀測數據。開普勒望遠鏡被設計用於測量太陽系外行星的凌星現象，但即使對這台出色的行星搜尋望遠鏡來說，觀測TRAPPIST-1仍是一項艱巨的挑戰，因為TRAPPIST-1在可見光波段非常暗淡。好在，在整個開普勒任務期間，天文學家對這台望遠鏡的許多性能已經有了深入了解，包括使用更好的辦法來提升靈敏度，使得它能夠檢測到TRAPPIST-1這樣的凌星信號（凌星期間恆星變暗的幅度通常為0.1%）。2017年5月發表在《自然》上的一篇文章，對該行星系統中最外側行星TRAPPIST-1 h的軌道周期作了更精確的限制（周期為18.766天）。他們的研究顯示，那7顆行星如預期一般處於一系列複雜的三體共振之中，表明它們的軌道在很長一段時間內都能維持穩定。
請記住，我們並沒有真正看見那些行星，只是利用凌星技術檢測到了它們的影子，這讓我們能夠很好地估測行星的大小和軌道。然而，要真正了解一顆行星的本質，我們還需要確定它的密度，也就是質量。為了在多行星系統中估測行星質量，天文學家使用了一種技術，稱為凌星計時變化法（TTV）。這種技術涉及到對凌星時刻的細微變化的測量，這些變化是由該行星系統中其他行星的引力相互作用所引起的。利用一套新演算法對包含TRAPPIST和K2的一整套觀測數據進行分析後，一組科學家已經顯著改進了對TRAPPIST-1各顆行星的密度測量結果。這些行星的密度介於地球的0.6到1.0倍之間，與太陽系內類地行星的密度相似。考慮這些行星能夠接收到的恆星星光總量，TRAPPIST-1 e大概是其中最類似地球的一顆。2018年2月發表的一篇論文還討論了這些行星的內部構造，指出TRAPPIST-1 c和e擁有較大的岩石內核，而b、d、f、g應該擁有較厚的大氣、海洋或者冰殼。
要理解一個行星系統，我們需要準確了解系統中最大的天體，也就是那顆恆星。恆星天文學家已經增進了他們對TRAPPIST-1這顆恆星的認識，估算出它的年齡介於50億到100億年之間，發現它要比太陽更加古老。這一估算的基礎建立在多種不同的方法之上，包括對恆星活動、自轉速率以及這顆恆星在銀河系中所處位置的研究。它的質量也被重新修正為太陽質量的9%，這會對行星到恆星的距離估算產生細微的影響。
在觀測這一行星系統的過程中，天文學家也檢測到了強烈的恆星耀斑爆發。根據哈勃空間望遠鏡所作的紫外監測和XMM/牛頓望遠鏡所作的X射線觀測，結合計算機模型的模擬顯示，內側的行星或許已經失去了大量的水，但最外側的幾顆行星大概還保留了大部分的水。這些複雜的模型模擬了行星流失氣體的過程，以及它們與恆星星風的相互作用，再結合這些行星各自的質量，對於理解TRAPPIST-1行星的性質及其潛在的宜居性至關重要。
天體動力學家也對這個複雜的行星系統產生了興趣。有7顆行星圍繞著一顆低質量的恆星運行，人們可以合理地懷疑這個系統的穩定性。他們的模型證明，這個系統可以在數十億年內保持穩定。如果想讓生命在那裡蓬勃發展的話，這是一個極好的消息。
新的實驗和創新思路現在，我們有了明確的證據證明TRAPPIST-1的行星是存在的，我們還知道它們的軌道、大小和質量，但想要宣稱那些行星的表面存在液態水，判斷這些行星是否可供生命生存，我們還有太多太多的未知必須要去了解。
計算行星表面溫度的關鍵挑戰之一，是要了解它是否擁有大氣，大氣又如何構成。大氣可以起到毯子一樣的作用，使行星表面溫度升高。使用哈勃空間望遠鏡，天文學家試圖檢測TRAPPIST-1 d、e、f、g這4顆行星是否存在富含氫氣的大氣層。在近紅外波段的不同「顏色」範圍內對凌星事件所作的觀測，排除了d、e和f這3顆行星擁有這種大氣層的可能性。氫氣為主的大氣層會導致行星表面高溫高壓，與存在液態水相矛盾。沒有檢測到這樣的大氣，表明這些行星可能擁有類似地球的大氣層。如果你跟我一樣，對這些行星是否宜居感興趣的話，這算是一個好消息。
如果生命曾經出現在TRAPPIST-1的某顆當時宜居的行星上，那它擴散到整個行星系統的可能性有多大呢？兩位天文學家在2017年6月發表的一篇短文中探討了這一假設。他們通過一個簡單模型來模擬隕石有生源說（lithopanspermia，即通過隕石將生物體從一顆行星轉移到另一顆行星），發現TRAPPIST-1系統中發生這種情況的可能性，要比地球和火星之間高出好幾個數量級。在更加緊湊的TRAPPIST-1行星系統中，天體更有可能發生碰撞，行星間的轉移時間也更短，使得生命在行星之間擴散的可能性更大。他們得出結論認為，TRAPPIST-1中出現生命的可能性會更高。當然，這純粹是基於物理學考慮而得出的猜測，仍然需要得到觀測數據的支持，但這也表明在銀河系的其他地方尋找此類緊湊迷你行星系統變得更加重要了。
生命不只可能生存在行星上，也可能生存在衛星上，而且衛星對於生命的存在可能意義重大，因為衛星能夠穩定行星的自轉軸，並在行星上引發潮汐形成小水池，這對複雜分子的形成和互動可能至關重要。儘管斯皮策空間望遠鏡有能力檢測到跟我們的月亮一樣大的衛星，但在TRAPPIST-1那些行星的周圍目前還沒有檢測到任何衛星。理論研究表明，內側的幾顆行星（從b到e）不太可能擁有小衛星，因為它們離恆星和其他行星太近。我們還沒能在該行星系統的外側行星周圍發現小衛星，而且如果不使用更大的空間和地面望遠鏡的話，我們將無法檢測到這樣的衛星存在。
感應加熱是地球上用來熔化金屬的一種工藝。當我們改變導體介質中的磁場時，就會出現感應加熱現象，通過熱量消散能量。天文學家幾年前就知道，類似TRAPPIST-1這樣的M型恆星擁有強大的磁場。一組天文學家研究了這樣一個強磁場，對傾斜於磁場方向的行星系統中內側行星內部構造的影響。假設那些行星的內部結構和物質構成都類似於地球，他們發現最內側的3顆行星（b、c、d）應該會經歷超強的火山活動和放氣過程，在一些極端情況下還會發展出岩漿海和板塊構造，以及大規模的地震活動，與太陽系裡火山活動最劇烈的木衛一Io相當。需要再次強調的是，這個結果非常依賴於模型，因為我們沿並不清楚這些行星的內部構成，而這又會直接影響感應加熱的強度。但是，如果它們的物質構成真跟地球類似，它們就有可能成為地獄版本的地球。
其他科學家也探討了這個行星系統中存在大型板塊構造和強烈地震的可能性，原因則是行星與恆星之間及行星與行星間的相互作用引起的潮汐應力。如果這些活動是真實的，TRAPPIST-1的一部分行星可能確實與地球相似，有著類似的大陸板塊、海床和活火山，但是想要證實這一點，有朝一日我們還是需要拍一張照片才行。
接下來的研究方向我總結了過去兩年來，關於TRAPPIST-1這個神奇的行星系統，天文學家發表過的一些新文章。這份清單並不詳盡，有可能錯過了關於這個複雜行星系統的一些有趣的想法和新的假設。
但有一點是清楚明白的：這些文章讓我和許多其他人感到興奮不已，因為利用更大的望遠鏡進行後續觀測，會給我們帶來更多的驚喜。這些望遠鏡中，既包括地面上的特大望遠鏡（ELT），也包括太空里的韋布空間望遠鏡（JWST）。每一台望遠鏡都是必須的，能夠幫助我們限定模型，增進我們對於這個系統的了解。舉例來說，用這些設施對這個行星系統進行長期監測，將進一步限制那裡是否有衛星存在。利用韋布空間望遠鏡的精確測光能力，天文學家希望能夠更精確地測定這些行星的質量和軌道，探測它們大氣層的化學構成，繪製TRAPPIST-1系統中所有行星粗略的溫度分布圖。
哈勃望遠鏡在2002年繪製過粗略的冥王星地圖（左圖），後來被近距離飛掠冥王星的新視野號拍回的清晰照片（右圖）所證實。利用未來的大型望遠鏡，我們或許能夠繪製出TRAPPIST-1系統各顆行星的粗略地圖。圖片來源：NASA
2020年之後，如果韋布望遠鏡進展順利，並且如我們預期一般提供了極好的數據，我們可能會得到TRAPPIST-1各顆行星的粗略地圖，就像哈勃空間望遠鏡繪製過的冥王星地圖那樣。那張地圖的準確性，後來得到了新視野號探測器的證實。
在不到20年的時間裡，類似TRAPPIST-1這樣的近距離行星系統將成為我們的宇宙後院。如果TESS、PLATO、ARIEL、JWST和ELT這樣的項目都能按計劃順利進行的話，我們很快就將揭開那些奇異世界的秘密。我確信，我們會驚訝於它們的多樣性，就像我們自己的太陽系過去20年來帶給我們的驚訝一樣。（編輯：Steed）
拓展閱讀 NASA又搞大新聞，40光年外發現7顆類地行星！ 你看到的系外行星圖都是瞎畫的……嗎？ 編譯來源 SETI協會官網，An Update on the Potential Habitability of TRAPPIST-1. No Aliens yet, but We』ve Learned a lot.推薦閱讀：
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