[비즈한국] TRAPPIST-1 是最受关注的系外行星系统之一。2017 年，天文学家在这里发现了多达七颗行星。这相当于我们太阳系拥有八颗行星的水平。如此多行星环绕一颗恒星的景象，曾让人满怀希望，认为宇宙中存在更多这样的多行星系统。而且，这七颗行星全都是与地球类似的岩石行星。
更令人惊叹的是，其中竟有四颗行星位于可能存在生命的宜居带（Goldilocks zone）。TRAPPIST-1d 处于宜居带的最内侧边缘，e 和 f 位于中间，而 g 则位于宜居带的最外侧边缘。如果运气好的话，这本应是一个能同时发现多个存在生命之系外行星的宝地。随着詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）升空，它对 TRAPPIST-1 行星进行了大量观测。毕竟，生命要存活，就必须像地球一样有大气层覆盖。
此前，关于最内侧的两颗行星 b 和 c，已经发布了令人绝望的结果，即没有发现大气的存在。b 行星看起来像水星一样几乎没有大气，而 c 行星也只确认了可能存在极其稀薄大气的模糊数据。然而，对于位于宜居带的其他四颗行星，却始终未能进行深入分析。在韦布望远镜观测期间，偏偏爆发了强烈的耀斑，导致数据分析花费了更长的时间。
直到现在，万众期待的 TRAPPIST-1d 行星的观测分析结果终于公布了。结果究竟如何呢？正如大家所愿，TRAPPIST-1 宜居带内的行星真的存在大气层吗？
TRAPPIST-1 的行星是通过“凌日法”被发现的，即当行星从中心恒星前方经过时，星光会变暗。七颗行星以各自不同的周期同时经过恒星前方，中心恒星的亮度呈现出相当复杂的变暗模式。通过对该模式的仔细分析，科学家们最终确定了行星的总数及其各自的公转周期。
如果能利用好系外行星与中心恒星在一条直线上的“凌日”现象，就能推断出大气层的存在与否。2018 年，天文学家曾尝试通过哈勃空间望远镜的观测来确认这里的大气层。但哈勃与韦布不同，它主要进行可见光观测，且镜片尺寸较小，因此难以进行精密的大气观测。以哈勃的性能，要确认大气层，至少需要像天王星、海王星那样拥有厚重大气层的巨大气态行星才行。如果是大气稀薄的岩石行星，仅凭哈勃的观测很难判断是否存在大气层。
在 2018 年的哈勃观测中，天文学家判定至少 d、e、f 行星根本没有厚重的氢大气层。不过，对于位于宜居带最外侧的 g 行星，虽然存在不确定性，但曾怀疑过可能存在大气。此外，还有观点提出 g 行星可能不是岩石行星，而是像“迷你海王星”那样的小型气态行星。
重点在于，科学家并未断言 d、e、f 行星“绝对不可能存在大气层”。核心结论是，它们似乎没有像木星那样厚重的大气层。乍看之下，没能找到大气层似乎是个绝望的结论，但其实未必。这反而可能是一个充满希望的结论。这些行星被怀疑是像地球一样的岩石行星，如果是这样，那么它们可能拥有像地球一样稀薄的大气层。
为了确认稀薄的大气层，就需要韦布望远镜。特别是韦布望远镜因能够观测红外波段，更有利于识别水和二氧化碳等与地球生命直接相关的成分。韦布望远镜瞄准了 TRAPPIST-1d 行星从中心恒星前方经过的瞬间。该行星与中心恒星的距离仅为日地距离的 2%，但由于中心恒星本身非常矮小，照射到行星上的星光与太阳照射到地球的光强度相当。
如果 TRAPPIST-1d 行星拥有蕴含多种化学成分的大气层，那么在行星遮挡恒星的过程中，恒星的光谱中应该会留下因化学成分吸收而产生的缺失痕迹。然而，此次观测到的光谱相当平坦。因化学成分导致的吸收现象微乎其微。天文学家假设了甲烷、二氧化碳、水等多种化学成分，寻找最能解释实际观测光谱的情况。但无论是甲烷、一氧化碳、水、二氧化碳还是二氧化硫，都没有表现出明显的信号。在最初分析时，氨成分似乎表现出了有意义的信号，但后续分析得出的结论是，这并非实际的大气成分，而是一种错觉，是由行星凌日过程中中心恒星自身不稳定波动引起的亮度变化所致。
此次分析结果留下了两个引人注目的可能性。第一，该行星确实存在高密度、低空分布的稀薄大气层。这与火星类似。这种假设最能解释观测数据。第二种可能性是，像金星一样，高空覆盖着浓厚的云层，遮挡了大气成分产生的光谱吸收痕迹。虽然这种可能性相对较低，但也不能完全排除。我们曾希望这颗行星像地球，但实际上它更有可能是像火星或金星一样的世界。当然，这两个世界都不适合我们居住。遗憾的是，那些对 TRAPPIST-1 仍抱有幻想的天文学家们再次感到了绝望。
此次发现对天文学家来说尤为苦涩是有原因的。TRAPPIST-1 恒星是比太阳小得多的红矮星。而这类恒星在宇宙中是最常见的。与像我们太阳一样的恒星相比，更小、更暗的红矮星要普遍得多。实际上，迄今为止发现的大多数系外行星也都围绕着这样的红矮星。然而，这次的发现指向了一个绝望的结论：生命可能根本无法在红矮星周围存活。我们或许不得不放弃迄今为止发现的绝大多数围绕红矮星旋转的系外行星。
由于红矮星体积较小，星体内外的对流非常剧烈。在此过程中，带电粒子在恒星表面外围剧烈波动，恒星表面的磁场变得错综复杂。物质沿着磁场迅速喷出，导致恒星爆发能量并向宇宙空间喷射耀斑。随着耀斑席卷周围行星，行星残存的大气层会被不断剥离，最终行星将无法长时间保留大气层。中心恒星倾泻而出的恒星风会直接照射在行星表面，带来巨大的宇宙辐射，任何生命都无法幸存。特别是此次被韦布望远镜观测的 d 行星，处于宜居带的最内侧边缘，距离中心恒星最近，因此也是最容易受到恒星风影响的行星。
那么，对于距离稍远一点的 e、f、g 行星，可以期待吗？当然，因为距离中心恒星稍远，它们有可能依然保留着大气层。但是，距离中心恒星越远，观测难度就越大。由于行星围绕恒星运行的周期变长，一旦错过一次凌日，就需要等待更长的时间才能迎来下一次。此外，由于距离较远，穿过行星大气层的星光强度也会变弱，因此捕捉光谱也更加困难。要收集不足的光线，需要比韦布望远镜更大的望远镜，但目前还做不到。所以，不能只观测一次，必须多次观测以累积全部数据，从而将微弱的信号放大。因此，越往 e、f、g 行星去，获取可供分析的数据所需的等待时间就越长，也必须争取到更多的韦布望远镜观测时间。
面对现实的局限性，天文学家们开始提出更本质的问题：凭现有的观测技术，真的能确认我们要寻找的系外生命的确凿证据吗？我们至今主要在寻找被推测为类似地球的环境。所谓类似地球，最终是指一颗小型岩石行星，覆盖着不像木星那样厚重的、稀薄得多的大气层的世界。然而令人困扰的是，以我们目前的技术，只有在覆盖着像木星那样厚重大气层的情况下才能确认大气层的存在。对于像地球那样覆盖着稀薄大气的环境，凭我们目前的观测技术还很难下定论。
宇宙中最常见的恒星便是红矮星，难道现在要彻底放弃对红矮星周围系外行星的希望吗？那个曾因充满无数生命而显得嘈杂的夜空，似乎突然变得寂静无声了。
参考
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52642-6
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adf207
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adf62e
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adf42e
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06232-z
作者池雄培（音译）是谁？他热爱猫咪和宇宙。童年时看过《银河铁道999》后，便立志要向世人传播宇宙之美。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，积极从事演讲和写作等各类科学传播活动。著有《每天一片宇宙》、《星光熠熠的宇宙科学家们》、《虽无法触及但可知晓》、《看到宇宙就会想到的奇怪问题》等书，并翻译了《给真正航行在宇宙中的搭车客指南》、《我为何杀了冥王星》、《量子生活》、《宇宙图形》等著作。