[비즈한국] TRAPPIST-1 行星系自被发现以来就备受关注。事实上，其中心恒星是一颗质量仅为太阳9%的轻型矮星，表面温度仅为2500摄氏度。然而，它之所以受到极大关注，是因为在其周围一次性发现了多达七颗行星。
这些行星从内向外依次被命名为 TRAPPIST-1 b、c、d、e、f、g 和 h。其中，d、e、f、g 这四颗行星与中心恒星保持着适中的距离，其轨道处于表面可能存在液态水海洋的范围内。由于一个恒星系统内竟有四颗行星位于生命宜居带，这里被视为寻找外星生命迹象的有力候选地。
但是，生命的存在还需要更多好运。行星必须覆盖有足够厚的大气层，因为如果没有大气，任何生物都无法在上面呼吸。
由于长期受到关注，TRAPPIST-1 是詹姆斯·韦布空间望远镜观测次数最多的目标之一。去年，有关该系统内侧轨道行星 b 和 c 的观测结果率先公布。遗憾的是，根据观测结果，并未在这两颗行星上确认存在浓厚的大气层，推测它们可能完全没有大气，或者仅有非常稀薄的大气。
不过，现在就感到失望还为时过早。b 和 c 两颗行星本就离中心恒星太近，此前并未对它们存在生命抱有太大期待，外侧的行星才更为关键。
查看向所有人公开的詹姆斯·韦布空间望远镜观测日程表可以发现，天文学家早在很久以前就完成了对 TRAPPIST-1 行星的观测。然而，至今尚未发布具体的分析结果。难道是在隐瞒什么吗？
TRAPPIST-1 是一颗比太阳小得多且暗淡的红矮星。事实上，关于红矮星周围是否具备孕育生命的条件，目前学术界仍存在激烈的争论。若简单思考，只要距离恒星保持适当距离，温度既不过热也不过冷，理论上是可以存在生命的。但情况并非如此简单。
尤其是红矮星相当复杂。在气体云聚合并刚刚开始发光的初期阶段，红矮星可能会对其周围产生致命影响。由于恒星本身太小，内部会发生剧烈的物质对流，从而在周围形成强大的磁场。大量等离子体形态的物质被磁场吸引并向上涌动，沿着围绕恒星错综复杂的磁场线向外流出。当磁力线束纠缠并断裂的瞬间，被拉出的物质会以极快速度喷射至宇宙空间，引发强烈的耀斑。
特别是红矮星本身光度较暗，为了获得足够的温度，行星必须紧贴恒星运行。这意味着恒星周围形成的宜居带（Goldilocks Zone）范围非常狭窄。因此，与大恒星相比，小恒星周围的行星反而更容易暴露在耀斑威胁之下。
倾泻而下的恒星耀斑可能会剥离行星的大气层。不仅是氢和氦等轻分子，就连二氧化碳、氧气、氮气等更重的分子也可能被移除。例如，对于像地球这样被相对稀薄大气包围的岩石行星，红矮星喷发出的强大耀斑实际上足以将整个大气层剥离殆尽。
如果行星想要抵御这种威胁并维持大气层，就必须具备足够强大的自身磁场保护罩。事实上，火星虽然比地球距离太阳更远，但正是因为缺乏磁场保护，推测其久远以前存在的海洋和大气早已消失殆尽。
在红矮星周围难以生存的不仅仅是岩石行星，像木星那样的巨大气态行星也同样面临危险。特别是主要由轻质气体构成的气态行星大气层，很难在恒星的耀斑攻击下幸免。随着外部大气层被逐渐剥离，行星本身的体积可能会变小。
一个有趣的现象是，目前发现的外星行星中，有相当多是紧贴中心恒星运行的巨大气态行星。这类行星被称为“热木星”。在我们太阳系中，这类行星一颗也没有，太阳系中的巨大气态行星全部位于外围。
随着太阳系外行星的发现，热木星的存在仍是一个未完全解开的谜团。它们可能诞生于远离恒星的外围，但后来通过与其他行星的引力相互作用改变了轨道，从而靠近了恒星。这被称为“行星迁徙”。即便如此，它们为何能长时间保持浓厚的大气层仍难以解释。
去年，天文学家通过詹姆斯·韦布的观测，确认了 TRAPPIST-1 最内侧两颗行星 b 和 c 是否存在大气层。确认行星大气最传统的方法是利用“凌日法”，即行星从恒星前方穿过。如果行星有大气，当它经过恒星前方时，我们可以观察到穿过大气层的星光，此过程中部分星光会被大气成分吸收。通过与未经过行星大气的星光光谱进行对比，就能知道大气中含有哪些成分。但如果大气太薄，这种方法也很难奏效，因为星光穿过稀薄大气的概率太低。
詹姆斯·韦布空间望远镜比哈勃望远镜灵敏得多。得益于此，天文学家在上次观测中采用了某种特殊方法：不仅观测行星经过恒星前方的瞬间，还观测行星转到背对恒星一侧、恒星光照射在行星表面的瞬间。如果行星有大气层，大气循环会使得行星的昼夜温差减小。背对恒星的夜半球与面向恒星的昼半球之间温度差异不会太大。相反，如果没有大气，昼夜温差将极为剧烈。遗憾的是，根据上次的观测，TRAPPIST-1 b 和 c 两颗行星表现出了极端的昼夜温差，看来这两颗行星连稀薄的大气层都没有。
但真正的主角另有其人。这两颗行星本身轨道太小，温度极高，本来就不太可能存在生命。但 d、e、f、g 四颗行星则位于宜居带内。
最近，天文学家针对 TRAPPIST-1e 行星假设了多种环境并进行了分析。这是一颗与地球相似的岩石行星。同样地，它在经历小行星撞击并形成后，表面曾满是沸腾的熔岩。在熔岩冷却的过程中，它会持续从中心恒星接收紫外线、可见光和红外线等各种形式的光。这种地质环境与星光的复合影响会改变行星大气的总量及化学成分。天文学家模拟了在这些不同条件下，行星表面温度和大气压可能发生的变化。
首先，假设 TRAPPIST-1e 最初拥有与地球当前相似的大气层，结果显示在行星形成数亿年后，它依然能够维持大气。在表面液态熔岩完全凝固形成固体外壳后，大气的主要成分将是二氧化碳，并残留部分氧气和水分子。由于保持着大气，温室效应会使行星表面持续保持温暖。如果该行星的大气成分从一开始就与地球相似，即便受到红矮星的耀斑威胁，依然可以维持大气层。
TRAPPIST-1e 也有可能拥有像天王星、海王星那样由厚氢气组成的大气层。有趣的是，在这种情况下，表面从沸腾熔岩冷却为坚硬岩石所需的时间更长。在行星凝固过程中，大量氢气逃逸至宇宙空间，而较重的分子如水、二氧化碳和氧气则留下来成为大气的主要成分。根据该模型，行星可以维持适合生命生存的大气组成，表面温度也会降至适宜生命生存的水平。这是非常令人鼓舞的结果。即使 TRAPPIST-1e 起初的大气组成与地球不同，而是以像天王星、海王星那样浓厚的氢气大气开始，通过地质过程和中心恒星辐射的综合影响，依然能创造出适合生命生存的环境。
相比之下，距离中心恒星近得多的 TRAPPIST-1b 的分析结果则很黯淡。同样假设起初拥有浓厚的氢大气，由于恒星散发出的过强恒星风和辐射，大部分大气层会被吹入宇宙空间，仅残留极薄、稀疏的氧气大气层。因为几乎没有其他成分，这种仅由氧气组成的稀薄大气层并不适合生命生存。最终，靠近恒星的 TRAPPIST-1b 行星在任何情景下都很难形成能期待生命存在的大气层。
相比之下，TRAPPIST-1e 的前景要乐观得多。无论大气组成起初与地球相似，还是与天王星、海王星相似，目前依然有很大可能具备孕育生命的条件。
事实上，詹姆斯·韦布空间望远镜已经对 TRAPPIST-1e 进行过观测。但在观测确认其是否存在大气层时，中心恒星偏偏发生了剧烈的耀斑。耀斑的强光突然掩盖了行星发出的微弱光芒，导致无法区分耀斑光和行星表面反射的星光。因此，一些天文学家推测，TRAPPIST-1d 或 f 行星的分析结果可能会比 TRAPPIST-1e 更早公布。
TRAPPIST-1 因为一次性发现了七颗行星，且其中四颗位于宜居带内，长期以来一直备受期待。如果连这样的地方都找不到任何生命迹象，那将是非常令人沮丧的。
通过观测行星不仅在凌日时，还包括运行到背面时反射星光的瞬间，从而分析大气存在与否及化学成分，这是一种此次首次尝试的观测方式。此前对 TRAPPIST-1 周围行星的观测，实际上只是基于一两次观测尝试所得出的少量数据。最终，为了做出更精确、更明确的判断，唯一的方法就是更长时间、更频繁地观测 TRAPPIST-1 周围的行星。
TRAPPIST-1 虽然是一个极具魅力的观测对象，但詹姆斯·韦布空间望远镜并非只为这一个外星行星系而存在。从太阳系天体到无数恒星和星系，排队的观测日程实在太多了。在繁忙的日程中，能再次分配多少时间给 TRAPPIST-1 行星，将决定我们未来的期待与结论。
参考
https://academic.oup.com/mnras/article/531/1/468/7659831
作者 Ji Ung-bae 是谁？他热爱猫与宇宙。从小在看了《银河铁道999》后，便立志要向世人传播宇宙之美。目前在延世大学银河进化研究中心及近宇宙论研究室，研究通过银河相互作用进行的进化，并开展讲座、写作等多种科学传播活动。著有《썸 타는 천문대》（暧昧天文台）、《하루 종일 우주 생각》（整天思考宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科学）等书籍。