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对于在附近的TRAPPIST-1轨道运行的7个地球大小的行星的新研究表明7个行星在组成上是极其相似的 ， 但是潜在意义上来说是与地球相当不同的 。
艺术家对于TRAPPIST-1轨道行星的定义突出了对它们直径和质量的测量 。 TRAPPIST-1星系是目前为止在太阳系外发现的最大一批和地球大小大致相同的行星的所在地 。 它大概距离是40光年 。 图片来源于 NASA/ JPL-Caltech/ University of Geneva.
2017年 ， 斯皮策空间望远镜一个令人兴奋的发现显示有7个地球大小的行星围绕距离我们不到40光年的近邻恒星Trappist-1转 。 尽管难以弄清楚这些行星的细节 ， 但是天文学家不禁好奇:有任何一个像地球或金星吗？有拥有大气 ， 甚者 ， “地”表水的行星吗?上个星期快结束时（2020年1月22日） ， 天文学家为围绕Trappist-1的行星的真相 ， 又拼上了一块拼图 ， 发表在同行审议的《行星科学》杂志上 ， 细化了这些行星的组成 。 此团队发现这些行星由类似的物质组成 ， 但不同于我们太阳系的行星 。
Trappist-1是一颗红矮星 ， 这种恒星类型的常程度 ， 在我们银河系中遥遥领先 。 Trappist-1的其中三颗行星牢牢占据着它的宜居带（又名金发姑娘带）内 ， 在这里 ， 行星的表面有存在液态水的可能 。 目前 ， 天文学家们感觉 ， 靠Trappist-1最近的三颗行星表面发现液态水的可能性不大 ， 且如果靠最外层的四颗行星表面确有液态水的话 ， 其含量也不会很多 。 这一发现与天文学家早期的一个观点相矛盾 ， 即像这样的低密度行星一定有丰富的地表水含量 。 所以 ， 这也引发了关于这七颗系外行星到底能有多像地球 ， 多适合人类居住的问题 。
日内瓦大学的天体物理学家Martin.Turbet是这项新研究的合著者之一 ， 他在一份声明中这么说道：
通过将波恩和苏黎世大学的行星内部模型和我们在日内瓦大学构建的行星大气模型结合起来 ， 我们能够把七个TRAPPIST-1行星的含水量 ， 以对于该类别行星来说前所未有的精确度测量出来 。
我们的内部和大气结构模型表明 ， TRAPPIST-1系统内的三个内部行星可能不含水 ， 另四个外部行星含水量也不过百分之几 ， 有可能仅仅以液体形态存在于他们表面 。
现在让我们思考一下太阳系的八大行星 。 他们在密度上有很大差异 ， 拥有大量气体和冰的巨行星（木星、土星、天王星、海王星）的密度较小 ， 而陆地行星（水星、金星、地球、火星）密度更大 。 自从大众了解到TRAPPIST-1的七个星体彼此间有着高度相似的密度之后 ， 研究者们在比对地球和系外行星时就一直面临这样的困惑 。 如果他们确实有地表水 ， 天文学家们的密度估量方法就需要改变了 。
这也是为什么在研究的一开始 ， 科研人员努力确定七个系外行星密度低是因为水还是他们的内部结构 ， 这将决定这些行星与地球是非常类似还是仅仅有些类似 。 根据一份研究声明 ， 这些系外行星的密度约比地球低8% 。 倘若行星的密度较低是因为地表水 ， 那么行星质量中约有5%是以地表水存在的 。
那已经很多了！相比较而言 ， 水资源仅占了地球质量的0.1% 。 所以你能很直观地感受到这些世界的组成部分与地球有多大差异了 。
Martin Turbet是日内瓦大学的一名天文学家 ， 同时也是计算围绕TRAPPIST-1的系外行星密度研究的合著者 。 图片来自日内瓦大学 。
Eric Agol是华盛顿大学的天文学家 ， 也是计算围绕TRAPPIST-1的系外行星密度研究的主要作者 。 图片来自华盛顿大学日报 。
但是 ， 后来人们发现 ， 甚至这里是否有百分之几水含量的潜能仍值得怀疑 。 来自华盛顿大学的Eric Agol是这项研究的负责人 ， 他在补充声明中指出这些行星可能只有不到百分之几的水含量 。 因此 ， 在这个星系中各行星密度的相似也许只是一个非比寻常的巧合 。
为了回答这个难题 ， 研究人员检查了7颗系外行星的组成 ， 寻找这它们相互之间 ， 以及它们与地球之间的相似之处 。 大多数岩石行星被认为是由镁、铁、镍等金属和硫、氧、硅等非金属组成 。 由于该行星群与地球之间的密度差异 ， 研究人员推测TRAPPIST-1系外行星的组成可能与地球相似 ， 但比例明显不同 ， 例如 ， 铁的百分比较低 。 铁占地球总质量的32% ， 然而研究表明 ， 铁应只占每个TRAPPIST-1系外行星质量的21% 。
【天文|七颗系外行星，哪颗最可能成为“第二地球”？科学家作出回答】Agol对EarthSky说:
较低的密度表明这些行星与我们太阳系的类地行星有着不同的组成 ， 因此有着不同的历史 。 也许星盘开始时含铁较少？又或者是铁心从未形成 ， 而铁仍以氧化物的形式存在于相当于地幔的圈层中？
艺术家对 TRAPPIST-1 恒星系统中7颗密度相似的系外行星所绘制的概念图 。 它们相似的密度表明它们都有相似的成分 。 这项新的研究使科学家们相信 ， 这些行星表面多岩石 ， 核心富含铁 。 它们的核心可能比地球的小 ， 因为每颗行星的质量都比地球小8% 。 以前的理论认为每颗行星表面都有深海层 ， 或者是没有核心的行星 。 图片来源:NASA/ JPL-Caltech/ University of Geneva.
为了确定每个行星的质量 ， 科学家们测量出在它们轨道范围内的变化 。 他们检测出每个行星环绕TRAPPIST-1一圈的时间 ， 以及从地球上看每个行星在恒星面前时的时间 。 这个过程叫凌日时刻 。 结合每个行星的半径数据 ， 科学家能更精确地计算出行星距恒星的距离 。 用地球的质量做对比 ， 科学家团队可以计算出七个地外行星中每一个行星可能含有的铁含量 。
利用现已退役的斯皮策太空望远镜的数据 ， 天文学家们确定 ， 环绕TRAPPIST-1运行的所有7颗行星的密度都相似 。 这一发现有助于天文学家将这些系外世界的组成特征与地球进行比较 。 虽然所有7颗行星都被认为是大致地球大小 ， 但它们的密度都比我们的母行星低8%左右 ， 这意味着它们的组成虽然可能与地球相似 ， 但就铁等元素而言 ， 它们的百分比却有显著差异 。 图片来源:NASA/ JPL-Caltech/ University of Geneva.
将这些数据与每颗行星的半径测量结合起来 ， 科学家们比以前更精确地计算出行星的密度 。 通过与地球质量的比较 ， 研究小组能够计算出7颗系外行星中可能存在的铁的百分比 。
Agol说：
“我们发现 ， 既然密度较低 ， 那么只需要相当于地球铁含量三分之二的铁 。 ”
地球和环绕TRAPPIST -1之间的差异是否会改变TRAPPIST -1星系中某个地方存在生命的可能性 ， 这是一个复杂的问题 。 虽然液态水的存在可能预示着孕育生命的潜力 ， 但其他因素也有助于一个星球上生命的出现、繁衍和生存 。 例如 ， 在地球上 ， 有一个强大的磁场保护我们的星球和生命免受来自太阳的高能粒子的伤害 。 我们的大气层充满了足够的氧气和碳 ， 以及动物生命、光合作用和可耐受温度所需的其他气体 。
尽管存在这些挑战 ， Agol目前并没有全盘否定TRAPPIST-1系外行星存在生命的潜在可能性 。 他说：
“与宜居性的联系还不清楚 。 行星的结构可能会影响它们形成板块构造、携带磁场的能力以及其他可能的影响 。 地球的这些方面影响着地球上生命的存在和变化 。
所以 ， 还有很多问题要探讨 。 ”
这项研究是由斯皮策太空望远镜（spitzerspacetelescope）自四年多前发现恒星系统以来获取的数据集促成的 。 在2016年至2020年期间 ， 当望远镜退役并停止收集数据时 ， 斯皮策为TRAPPIST-1记录了1075小时的观测时间 。 尽管斯皮策号的退役使观测工作暂停 ， 但这并不意味着TRAPPIST-1研究的永久性结束 。
“如果詹姆斯·韦伯太空望远镜在今年晚些时候成功发射并投入使用 ， 那么我们计划继续用该望远镜监测凌日 ， 试图用凌日透射光谱探测大气 。 每次凌日都会提供一个时间 ， 所以我们可以继续优化行星质量的数据 。 ”
2016年发现围绕 TRAPPIST-1运行的系外行星后 ， 斯皮策太空望远镜在恒星系统上记录了1075个观测小时 ， 产生了足够的数据 ， 让天文学家能够准确确定每颗行星的密度和组成 。 斯皮策太空望远镜于2020年1月退役 。 艺术家概念图来源:NASA/JPL-Caltech.
一句话小结：对TRAPPIST-1系统中7颗近似地球大小的系外行星进行的一项新研究表明 ， 这7颗行星在成分上极为相似 ， 但可能与地球截然不同 。
作者：Amy Oliver
FY：Astronomical volunteer team
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