這顆系外行星有很多水，適宜移民居住？

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】在2017年2月，全世界都震驚了，天文學家利用智利的特拉普望遠鏡和斯皮策太空望遠鏡的數據確定了TRAPPIST-1系統中7個岩態系外行星的系統。似乎這對太陽系外行星的愛好者們來說還不夠鼓舞人心，但還表明七顆行星中有三顆圍繞著恆星周圍的宜居帶(又稱「宜居帶」)軌道運行「適居帶」)。自那時以來，該系統一直是大量研究和後續研究的重點，以確定其任何行星是否適宜居住。這些研究的本質是關於行星表面是否有液態水的問題。

這是一顆距地球僅16光年的紅矮星。圖片版權：ESO/M. Kornmesser/N. Risinger (skysurvey.org)

但是根據美國天文學家小組的一項新研究，特拉普斯行星實際上可能有太多的水來維持生命。這項研究題為「從富含水分的物質中推斷出的TRAPPIST-1行星的向內遷移」，最近發表在《自然天文學》雜誌上。這項研究的負責人是開曼·t·恩特伯恩(Cayman T. Unterborn)，他是地球和太空探索學院(SESE)的地質學家，包括史蒂文·j·德施(Steven J. Desch)、亞歷桑德羅·洛倫佐(Alejandro Lorenzo)(也來自SESE)和娜塔莉·r·辛克爾(Natalie R. Hinkel)——來自納什維爾范德比爾特大學(Vanderbilt University)的天體物理學家。

已經進行了多項研究，以確定是否有任何一顆trappi -1行星適宜居住。雖然有些人強調行星無法留住大氣層太久因為它們圍繞著的是一顆紅矮星，其研究已經發現證據表明該系統life-swapping富含水。研究小組使用了先前的數據進行研究，試圖對TRAPPIST-1行星的質量和直徑進行限制，以計算它們的密度。這其中的大部分來自於一個名為Hypatia Catalog的數據集(由貢獻作者Hinkel開發)，它將來自150多個文學來源的數據合併在一起，以確定恆星在我們太陽附近的恆星丰度。

利用這些數據，研究團隊構建了大量的輻射成分模型，以確定每一個trappi -1行星的揮發性物質。TRAPPIST-1行星通常是岩態狀物體的光，顯示出高含量的揮發性元素(如水)。在類似的低密度世界中，揮發性成分通常被認為是大氣氣體的形式。但正如在最近的一篇SESE新聞文章中所解釋的，TRAPPIST-1行星是另一件事：[T]他TRAPPIST-1行星的質量太小，不足以容納足夠的氣體來彌補密度的不足。即使能夠控制住氣體，彌補密度赤字所需要的量也會使地球變得比我們所看到的要多。

一些行星圍繞著超冷的紅矮星TRAPPIST-1運行。圖片版權：ESO

因此Unterborn和他的同事們決定，這個行星系統中的低密度成分必須是水。為了確定那裡有多少水，研究小組使用了一種被稱為ExoPlex的獨特的軟體包。該軟體使用最先進的礦物物理計算器，使團隊能夠結合所有關於TRAPPIST-1系統的可用信息，而不僅僅是單個行星的質量和半徑。發現內行星(b和c)是「乾燥的」——質量低於15%的水——而外行星(f和g)的水質量超過50%。相比之下地球只有0.02%的水，這意味著這些星球的體積相當於數百個地球大小的海洋。

從根本上說這就意味著，這些trappi -1行星可能有太多的水來維持生命。在行星上擁有液態水是一種開始生命的方式，因為我們在地球上所知道的生命，主要是由水構成的，並需要它生存。然而一個有水的世界，或者沒有任何水面之上的行星，沒有重要的地球化學或元素周期，這是生命絕對必要的。這些發現對那些相信m型恆星最有可能在銀河系中擁有可居住行星的人來說並不是個好兆頭。紅矮星不僅是宇宙中最常見的恆星類型，在銀河系中僅佔75%的恆星，與太陽系相對較近的一些恆星也被發現有一顆或更多的岩石行星圍繞它們運行。

從地球上的系外行星表面看到的日落的印象概念圖，圖片版權：ESO/L. Calada

除了TRAPPIST-1之外，這些行星包括在LHS 1140和GJ 625附近發現的超級地球，在Gliese 667附近發現的三顆岩石行星，以及Proxima b——太陽系最接近的外行星。此外在2012年ESO的La Silla天文台使用HARPS攝譜儀進行的一項調查顯示，銀河系中可能存在數十億顆圍繞紅矮星宜居帶運行的岩石行星。不幸的是這些最新的發現表明，TRAPPIST-1系統的行星對生命是不利的。更重要的是，他們可能沒有足夠的生命來產生可以在他們的大氣中觀察到的生物特徵。

這是基於這樣一個事實：那些富含冰的trappi -1行星離它們的恆星的「冰線」要遠比那些乾燥的行星要近得多。在任何一個太陽系裡，在這條線上的行星都將變得更不穩定，因為它們的水會蒸發，或者凝結成海洋表面(如果有足夠的大氣層的話)。在這條線之外，水將以冰的形式存在，並且可以被吸收形成行星。從分析中，研究小組確定TRAPPIST-1行星一定是在冰線之外形成的，並向它們的主恆星遷移，以假設它們現在的軌道。然而由於m型(紅矮星)的恆星在第一次形成後是最亮的，隨著時間的推移逐漸變暗，冰線也會向內移動。正如合著者Steven Desch解釋的那樣：行星遷移到何種程度將取決於它們是何時形成的。

圍繞紅矮星運行的行星表面可能會出現概念圖，這顆行星位於宜居帶，所以存在液態水。圖片版權：M. Weiss/CfA

行星形成的越早，離恆星越遠，就形成了這麼多的冰。根據岩石行星形成所需的時間，研究小組估計行星最初的距離應該是現在的兩倍。雖然有其他跡象表明這個系統中的行星隨時間遷移，但這項研究是第一個量化遷移並使用合成數據來顯示它的。這項研究並不是第一個表明圍繞紅矮星運行的行星實際上可能是「水世界」，這意味著在其表面上有大陸的岩石行星是相對罕見的。

與此同時研究表明，這些行星很可能很難保持住它們的大氣層，然而在能更好地觀察這些行星之前——這是可能的，隨著下一代儀器的部署(如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡)——將被迫建立我們不知道的東西的理論基礎。通過慢慢地了解這些和其他系外行星，應該尋找太陽系以外的生命的能力將被提升。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：SESE, Nature Astronomy

作者：Matt Williams

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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