NASA發現三顆系外新行星，或將有助於找到另一顆「地球」

NASA 在美國時間 7 月 29 日凌晨宣布，通過「TESS」發現了三個新的行星——其中一個略大於地球，另兩個是太陽系中沒有發現過的環繞附近恆星運行的行星。它們是迄今為止已知的最小、距離我們最近的太陽系系外行星之一。這三顆行星圍繞一顆恆星運行，距離地球只有 73 光年，它們有望成為對外太空研究中最為奇特的目標之一。

「TESS」的全名是「Transiting Exoplanet Survey Satellite」，意思是凌星系外行星巡天衛星，是NASA的「探索者計劃」太空望遠鏡之一，在 2018 年 4 月通過 SpaceX 的獵鷹 9 號運載火箭在卡納維拉爾角 40 號台發射升空。它肩負著搜尋太陽系外行星的任務，力爭為人類尋找潛在的「第二地球」。

「TESS」在 2011 年被提出，最初由 Google 提供種子資金，麻省理工學院帶頭進行研發，而最終的衛星由 ATK 公司製造而成。相比於大名鼎鼎的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（哈勃望遠鏡的繼任者，更適合對行星做細緻的觀測），「TESS」則並不是讓人很熟悉。但「TESS」擁有比詹姆斯·韋伯太空望遠鏡性能更好的廣角鏡頭，更容易掃描整個宇宙，適合搜索整片星空下的恆星。

這次讓「TESS」感興趣的，是一顆暗淡、冰冷的恆星，其常見的登記名稱為：UCAC4 191-004642。這顆 M-矮星的體積和質量都要比太陽小 40%，其表面溫度比太陽低約三分之一。這次發現的新行星系統，位於 73 光年以外的 Pictor 星座南部。

這三顆新發現的行星中，離恆星最遠的「次海王星（Sub-Neptune）」似乎位於「溫帶」地區，這意味其星球的大氣層最頂端處於一個溫度範圍內，可以維持某些形式的生命。然而，科學家認為，這個星球的大氣層很可能是一個厚厚的、超密集的熱量收集器，會使星球表面太熱而無法容納水或生命。

不過研究團隊通過對新行星系統的研究，推測未來有可能在與這三顆新發現的行星有一定距離的軌道上，發現處於「宜居帶」之內的其他行星。

圖 | 行星系統 TOI 270 的關鍵特徵：插圖顯示了行星的信息，包括它們的相對大小，以及它們與地球的比較。對TOI 270 行星系統給出的溫度是平衡溫度，是在沒有任何可能的大氣變暖效應情況下計算得到 （來源：NASA』s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger）

儘管如此，這個被天文學家稱為「TOI 270」的新行星系統，也被證明其擁有其他奇妙的特性。例如，這三顆行星的大小看起來都比較接近。而我們的太陽系則正好相反，充滿了各種極致的行星，從水星、金星、地球和火星的小岩石世界，到質量更大的木星和土星，以及更遙遠的海王星和天王星。

在太陽系中，沒有任何一顆處於「中間位置」的行星，它的大小和組成介於地球和海王星之間。但是 TOI 270 系統中卻好像擁有兩顆這樣的行星：兩顆「次海王星」都比我們太陽系的海王星要小，卻也沒比系統中的岩石行星大多少。

天文學家認為 TOI 270 中的「次海王星」可能是行星形成途徑中的一個「缺失的環節」，因為它們是中等大小的。通過研究此次新發現的兩顆「次海王星」，可以幫助科學家確認像地球這樣的小岩石行星和像海王星這樣質量更大、更冰冷的行星是否遵循相同的形成路徑，或者是單獨演化而成的。

TOI 270 是解答這些問題的理想行星系統。因為恆星本身就在附近，明亮的同時又異常安靜。這顆恆星是一顆 M-矮星，通常都是非常活躍的恆星，有頻繁的耀斑和太陽風暴。但 TOI 270 中的 M-矮星似乎已經「老邁」了，它已經平靜了下來，穩定地釋放著光亮。科學家可以用它來測量軌道行星的許多特性，比如它們的質量和大氣成分等。

麻省理工學院天體物理和空間研究所的博士後 Maximilian Günther 說：「這個系統可以解決很多細小卻很複雜的問題。」他也是這篇發表在Nature Astronomy雜誌上論文的主要作者。「用這個系統，你真的可以在系外行星科學中做你想做的任何事情。」

圖 | TOI 270 行星系統中三顆新發現的行星對比 （來源：NASA』s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger）

一種行星探索模式的推進

Maximilian Günther 和他的同事是在觀察了「TESS」對恆星亮度的測量後，發現了這三顆新行星。麻省理工學院研製的「TESS」一次會連續盯著天空中的星斑 27 天，監視數千顆恆星是否有可能凌日——這種亮度下降的特徵可能是一顆行星在其前方經過時暫時擋住了它的光線。

MIT 的研究團隊從附近的一顆恆星中分離出了幾個類似的信號，這顆恆星位於 73 光年以外的 Pictor 星座南部。他們為第 270 顆「TESS」感興趣的對象命名為 TOI 270。研究人員使用地面觀測儀器來追蹤這顆恆星的活動，並驗證這些信號是否由三顆繞軌道運行的系外行星產生。

最終發現 TOI 270 b 行星，一顆由岩石構成的「超地行星（super-Earth）」，有大約 3 天的軌道；TOI 270 c 行星，具有 5 天軌道的「次海王星（Sub-Neptune）」；TOI 270 d 行星，另一顆「次海王星」，稍微遠一些，有 11 天的軌道。

Günther 指出，這些行星似乎排列在天文學家所稱的「共振鏈」中，這意味著它們的軌道比更接近於整數：在這種情況下，內對（inner pair）比為 3 : 5，外對（outer pair）比為 2:1。因此，這些行星是相互「共振」的。天文學家還發現了其他類似共振行星形成的小恆星，在我們太陽系中，木星的衛星也恰好在相互共振的情況下排列在一起。

圖 | TOI 270 的緊湊行星系統與太陽系中木星及其衛星的軌道相對比，情況比較接近 （來源：NASA』s Goddard Space Flight Center）

「對於 TOI 270 來說，這些行星就像串上的珍珠一樣排列在一起。」Günther 說，「這是一件非常有趣的事情，因為它促使我們去研究它們的動力學行為。幾乎可以預料，如果有更多的行星，下一個行星會以另一個整數比而存在於更遠的地方。

一座「特殊」實驗室的誕生

TOI 270 的發現最初讓「」TESS」的研究團隊感到一陣興奮，因為在第一次分析中，TOI 270 d 行星可能位於恆星的宜居帶，這個區域可能足夠的涼爽，足以支撐星球表面存在水，甚至可能還存有某種生命。但是研究人員很快就意識到，d行星的大氣層可能會非常厚，因此會產生強烈的溫室效應，導致星球表面太熱而不適宜生存。

但是 Günther 說，這個新行星系統很有可能承載著比 TOI 270 d 行星更遠的其他行星，而那個行星很可能位於宜居帶內。d 行星的軌道為 11 天，距恆星約 1000 萬公里。Günther 表示，考慮到這顆恆星相對較小，而且相對涼爽，大約是太陽的一半。所以，它的宜居帶可能從 1500 萬公里開始。

誠然，即使有這樣一顆行星存在於這一區域內，對於它是否適合居住，還取決於許多其他參數，例如它的大小、質量和大氣條件等。

幸運的是，研究團隊在他們的論文中寫道：「新的行星系統 TOI 270 非常適合未來對宜居星球的搜索，因為它特別安靜。」研究人員計劃將其他儀器，包括即將推出的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb）的目光聚焦在 TOI 270 上，以進一步確定這三顆行星的各種特性，並在該恆星的宜居區內尋找更多的行星。

「TOI 270 是系外行星科學家們的迪斯尼樂園，『TESS』的主要任務之一就是探索發現。」Günther 說，「這是一個特殊的實驗室，原因不止一個——而是它近乎滿足了所有（太空探索）的要求。」

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參考：

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-s-tess-mission-scores-hat-trick-with-3-new-worlds

https://www.sciencemag.org/news/2019/07/newly-discovered-exoplanet-trio-could-unravel-mysteries-super-earth-formation

http://news.mit.edu/2019/tess-discovers-three-planets-nasa-0729

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