天文學家證實TRAPPIST-1中最神秘行星的軌道詳情

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科學家們用NASA開普勒太空望遠鏡（NASA s Kepler Space Telescope）發現了TRAPPIST-1系統中行星軌道的規律，這證實了過去對其最邊緣、最不了解的TRAPPIST-1h行星軌道的猜想細節。

TRAPPIST-1隻有我們太陽質量的百分之八，導致它是顆溫度更低且更黯淡的恆星。它被七顆地球大小的行星圍繞，其中三顆的軌道處於該恆星的宜居帶——在這段與恆星的距離內液態水能夠在岩石行星的表面匯聚。此系統位於水瓶座，距離我們大約40光年，年齡估計在30億到80億年之間。

在2月22日NASA的新聞發布會上，科學家們宣布該星系中有7個地球大小的行星。為了檢測並找出這些行星的特徵，NASA斯皮策太空望遠鏡（NASA s Spitzer Space Telescope），智利的TRAPPIST（Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope的簡稱）望遠鏡及其他地面望遠鏡都投入了研究。但這些望遠鏡的合作也僅估測了TRAPPIST-1h的運動周期。

華盛頓大學的天文學家們已經用開普勒望遠鏡的數據證實了TRAPPIST-1h每19天繞它的恆星一圈。在距離那顆寒冷的矮星六百萬英里（約9.66百萬公里）處，TRAPPIST-1h位於宜居帶之外，對我們已知的生命體來說它有可能太冷了。行星h的每單位面積從恆星那收到的能量大約和穀神星從太陽那接受的能量相當，而穀神星是一顆位於火星木星間小行星帶的矮行星。

「能從其他角度來了解這個行星系統是令人非常興奮的事，尤其是行星h，在這之前我們了解它的信息很少。」總部華盛頓NASA科學任務委員會（NASA』s Science Mission Directorate）的副主管Thomas Zurbuchen說。「此項發現是個很好的例子，證明了科學界正在使用不同研究的互補數據來成就這樣迷人的發現。」

「TRAPPIST-1h和我們團隊預想的一樣，這讓我很高興。我也曾擔心了一會，因為我們正好看到了我們想看見的。到頭來，在這個領域，事情往往不完全是人們所期待的那樣。」在雜誌《自然-天文學》上刊登過文章的作者，同時也是華盛頓大學博士生的Rodrigo Luger說，「通常大自然每次變化都出乎人們意料，但在這項研究里，理論和觀測完美地契合。」

軌道共振——天體間的諧振

此團隊使用先前斯皮策望遠鏡的數據，發現最接近中心的六顆行星繞恆星的運轉頻率之間存在一個數學規律。這個複雜但又可預測的規律被稱作軌道共振，通常存在於行星圍繞恆星運轉時，它們之間互相受到周期性引力作用中。

為了理解共振的概念，木星的衛星Io, Europa 和 Ganymede可以作為參考，其中Ganymede是三顆衛星中離木星最遠的一顆。Ganymede繞木星一圈所用的時間夠Europa轉兩圈，夠Io轉四圈。人們認為這個1:2:4的共振是固定的，如果一顆衛星脫離了軌道，它會自我糾正並鎖定成一個穩定的軌道。TRAPPIST-1中的7個兄弟姐妹就是用這樣的共振影響來維持系統的穩定。

這種聯繫，Luger說，表明科學家甚至可以在用開普勒望遠鏡進行觀測之前，通過研究行星h相鄰行星的軌道速度來預測它的通過研究軌道速度及周期。該團隊已經算出了6個可能的不會擾亂系統穩定的共振周期，但只有一個沒有被額外數據排查。其他五個可能性由斯皮策望遠鏡觀測而得，地面的數據則由TRAPPIST團隊採集。

「所有的這些，」 Luger說，「指明了軌道間的關聯早在行星形成過程中，也就是TRAPPIST-1星系的發展早期就被制定好了。」

「共振的結構不是巧合，並且它指向了一個有趣的動態歷史：行星有可能以固定速度向內部移動。」Luger說，「對於行星形成與遷移理論的研究來說，這個星系是個很棒的實驗室。」

上方動畫模擬了在90個地球日里，TRAPPIST-1星系中行星的軌跡。15個地球日之後，動畫就專註於最外面的三顆行星：TRAPPIST-1f，TRAPPIST-1g和TRAPPIST-1h。每當兩顆相鄰的行星經過對方時，動畫靜止且有一個箭頭指向第三顆行星的位置。這個複雜卻又可預測的規律被稱作軌道共振，通常存在於行星圍繞恆星運轉時，它們之間的一個規律且周期性的重力作用中。這三顆最外層的三顆行星之間的共振導致它們重複相同的相對位置，而這種共振被用來預測TRAPPIST-1h的軌道周期。

來源：Daniel Fabrycky／芝加哥大學

世界性實時合作

開普勒望遠鏡在2016年12月15日到今年3月4日期間緊盯著TRAPPIST-1星系的那片天空，捕捉了因行星通行導致的該恆星亮度的微小變化並收集了數據，作為它第二個任務（K2）的一部分。3月8日，這些未校準且未經加工的數據被發布至科學界，以進行後續研究。

確認TRAPPIST-1h軌道周期的工作迅速展開，全球各地的科學家通過社交媒體實時分享有關該恆星的動態及其行星的最新信息。在數據發布的兩小時內，該團隊確認了他們所預估的軌道周期，即19天。

「從數據中得出結果一直是令人興奮的，但一群來自世界各地的科學家在一起合作並且在社交媒體近實時地分享他們的進程是個很罕見的事，他們分析了數據，還辨認出了TRAPPIST-1h在恆星前經過。」Jessie Dotson說，她是在加州矽谷NASA埃姆斯研究中心（NASA s Ames Research Center in California s Silicon Valley）工作的K2項目科學家，「將數據投入使用所帶來的創造力和便利已成為K2以社會為中心的方法特別令人振奮的一點。」

TRAPPIST-1星系中七顆行星間的連鎖共振已成為了所有已知行星系統中的一個紀錄，之前的紀錄保持者是Kepler-80和Kepler-223星系，它們各有四個顆共振行星。

TRAPPIST-1星系是在2016年被TRAPPIST合作團隊首次發現的，當時人們認為它只有三顆行星。其他的行星則是被斯皮策望遠鏡及地面望遠鏡發現的。NASA哈勃望遠鏡進行了後續的大氣觀測，詹姆斯韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）會更詳細地探測潛在大氣。

埃姆斯研究中心負責為NASA科學任務委員會管理開普勒望遠鏡以及K2任務。加州帕薩迪納的NASA噴氣推進實驗室（NASA s Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California）負責管理開普勒任務的進展。在博爾德科羅拉多大學的大氣和太空物理實驗室（Laboratory for Atmospheric and Space Physics at the University of Colorado in Boulder）的幫助下，由波爾航天技術公司（Ball Aerospace & Technologies Corp.）操作飛行系統。

編輯：Michele Johnson 翻譯：Cindy 核對：汪慧 審核：楊乃漳

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