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對于在附近的TrapPIST-1軌道運行的7個地球大小的行星的新研究表明7個行星在組成上是極其相似的，但是潛在意義上來說是與地球相當不同的。

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藝術家對于TrapPIST-1軌道行星的定義突出了對它們直徑和質量的測量。TrapPIST-1星系是目前為止在太陽系外發(fā)現(xiàn)的最大一批和地球大小大致相同的行星的所在地。它大概距離是40光年。圖片來源于 NASA/ JPL-Caltech/?University of Geneva.

2017年，斯皮策空間望遠鏡一個令人興奮的發(fā)現(xiàn)顯示有7個地球大小的行星圍繞距離我們不到40光年的近鄰恒星Trappist-1轉。盡管難以弄清楚這些行星的細節(jié)，但是天文學家不禁好奇:有任何一個像地球或金星嗎？有擁有大氣，甚者，“地”表水的行星嗎?上個星期快結束時（2020年1月22日），天文學家為圍繞Trappist-1的行星的真相，又拼上了一塊拼圖，發(fā)表在同行審議的《行星科學》雜志上，細化了這些行星的組成。此團隊發(fā)現(xiàn)這些行星由類似的物質組成，但不同于我們太陽系的行星。

Trappist-1是一顆紅矮星，這種恒星類型的常程度，在我們銀河系中遙遙領先。Trappist-1的其中三顆行星牢牢占據(jù)著它的宜居帶（又名金發(fā)姑娘帶）內(nèi)，在這里，行星的表面有存在液態(tài)水的可能。目前，天文學家們感覺，靠Trappist-1最近的三顆行星表面發(fā)現(xiàn)液態(tài)水的可能性不大，且如果靠最外層的四顆行星表面確有液態(tài)水的話，其含量也不會很多。這一發(fā)現(xiàn)與天文學家早期的一個觀點相矛盾，即像這樣的低密度行星一定有豐富的地表水含量。所以，這也引發(fā)了關于這七顆系外行星到底能有多像地球，多適合人類居住的問題。

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日內(nèi)瓦大學的天體物理學家Martin.Turbet是這項新研究的合著者之一，他在一份聲明中這么說道：

通過將波恩和蘇黎世大學的行星內(nèi)部模型和我們在日內(nèi)瓦大學構建的行星大氣模型結合起來，我們能夠把七個TrapPIST-1行星的含水量，以對于該類別行星來說前所未有的精確度測量出來。

我們的內(nèi)部和大氣結構模型表明，TrapPIST-1系統(tǒng)內(nèi)的三個內(nèi)部行星可能不含水，另四個外部行星含水量也不過百分之幾，有可能僅僅以液體形態(tài)存在于他們表面。

現(xiàn)在讓我們思考一下太陽系的八大行星。他們在密度上有很大差異，擁有大量氣體和冰的巨行星（木星、土星、天王星、海王星）的密度較小，而陸地行星（水星、金星、地球、火星）密度更大。自從大眾了解到TrapPIST-1的七個星體彼此間有著高度相似的密度之后，研究者們在比對地球和系外行星時就一直面臨這樣的困惑。如果他們確實有地表水，天文學家們的密度估量方法就需要改變了。

這也是為什么在研究的一開始，科研人員努力確定七個系外行星密度低是因為水還是他們的內(nèi)部結構，這將決定這些行星與地球是非常類似還是僅僅有些類似。根據(jù)一份研究聲明，這些系外行星的密度約比地球低8%。倘若行星的密度較低是因為地表水，那么行星質量中約有5%是以地表水存在的。

那已經(jīng)很多了！相比較而言，水資源僅占了地球質量的0.1%。所以你能很直觀地感受到這些世界的組成部分與地球有多大差異了。

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Martin Turbet是日內(nèi)瓦大學的一名天文學家，同時也是計算圍繞TrapPIST-1的系外行星密度研究的合著者。圖片來自日內(nèi)瓦大學。

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Eric Agol是華盛頓大學的天文學家，也是計算圍繞TrapPIST-1的系外行星密度研究的主要作者。圖片來自華盛頓大學日報。

但是，后來人們發(fā)現(xiàn)，甚至這里是否有百分之幾水含量的潛能仍值得懷疑。來自華盛頓大學的Eric Agol是這項研究的負責人，他在補充聲明中指出這些行星可能只有不到百分之幾的水含量。因此，在這個星系中各行星密度的相似也許只是一個非比尋常的巧合。

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為了回答這個難題，研究人員檢查了7顆系外行星的組成，尋找這它們相互之間，以及它們與地球之間的相似之處。大多數(shù)巖石行星被認為是由鎂、鐵、鎳等金屬和硫、氧、硅等非金屬組成。由于該行星群與地球之間的密度差異，研究人員推測TrapPIST-1系外行星的組成可能與地球相似，但比例明顯不同，例如，鐵的百分比較低。鐵占地球總質量的32%，然而研究表明，鐵應只占每個TrapPIST-1系外行星質量的21%。

Agol對EarthSky說:

較低的密度表明這些行星與我們太陽系的類地行星有著不同的組成，因此有著不同的歷史。也許星盤開始時含鐵較少？又或者是鐵心從未形成，而鐵仍以氧化物的形式存在于相當于地幔的圈層中？

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藝術家對 TrapPIST-1 恒星系統(tǒng)中7顆密度相似的系外行星所繪制的概念圖。它們相似的密度表明它們都有相似的成分。這項新的研究使科學家們相信，這些行星表面多巖石，核心富含鐵。它們的核心可能比地球的小，因為每顆行星的質量都比地球小8%。以前的理論認為每顆行星表面都有深海層，或者是沒有核心的行星。圖片來源: ?NASA/ JPL-Caltech/?University of Geneva.

為了確定每個行星的質量，科學家們測量出在它們軌道范圍內(nèi)的變化。他們檢測出每個行星環(huán)繞TrapPIST-1一圈的時間，以及從地球上看每個行星在恒星面前時的時間。這個過程叫凌日時刻。結合每個行星的半徑數(shù)據(jù)，科學家能更精確地計算出行星距恒星的距離。用地球的質量做對比，科學家團隊可以計算出七個地外行星中每一個行星可能含有的鐵含量。

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利用現(xiàn)已退役的斯皮策太空望遠鏡的數(shù)據(jù)，天文學家們確定，環(huán)繞TrapPIST-1運行的所有7顆行星的密度都相似。這一發(fā)現(xiàn)有助于天文學家將這些系外世界的組成特征與地球進行比較。雖然所有7顆行星都被認為是大致地球大小，但它們的密度都比我們的母行星低8%左右，這意味著它們的組成雖然可能與地球相似，但就鐵等元素而言，它們的百分比卻有顯著差異。圖片來源: ?NASA/ JPL-Caltech/?University of Geneva.

將這些數(shù)據(jù)與每顆行星的半徑測量結合起來，科學家們比以前更精確地計算出行星的密度。通過與地球質量的比較，研究小組能夠計算出7顆系外行星中可能存在的鐵的百分比。

Agol說：

“我們發(fā)現(xiàn)，既然密度較低，那么只需要相當于地球鐵含量三分之二的鐵?！?/p>

地球和環(huán)繞TrapPIST -1之間的差異是否會改變TrapPIST -1星系中某個地方存在生命的可能性，這是一個復雜的問題。雖然液態(tài)水的存在可能預示著孕育生命的潛力，但其他因素也有助于一個星球上生命的出現(xiàn)、繁衍和生存。例如，在地球上，有一個強大的磁場保護我們的星球和生命免受來自太陽的高能粒子的傷害。我們的大氣層充滿了足夠的氧氣和碳，以及動物生命、光合作用和可耐受溫度所需的其他氣體。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，Agol目前并沒有全盤否定TrapPIST-1系外行星存在生命的潛在可能性。他說：

“與宜居性的聯(lián)系還不清楚。行星的結構可能會影響它們形成板塊構造、攜帶磁場的能力以及其他可能的影響。地球的這些方面影響著地球上生命的存在和變化。

所以，還有很多問題要探討?！?/p>

這項研究是由斯皮策太空望遠鏡（spitzerspacetelescope）自四年多前發(fā)現(xiàn)恒星系統(tǒng)以來獲取的數(shù)據(jù)集促成的。在2016年至2020年期間，當望遠鏡退役并停止收集數(shù)據(jù)時，斯皮策為TrapPIST-1記錄了1075小時的觀測時間。盡管斯皮策號的退役使觀測工作暫停，但這并不意味著TrapPIST-1研究的永久性結束。

Agol說：

“如果詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在今年晚些時候成功發(fā)射并投入使用，那么我們計劃繼續(xù)用該望遠鏡監(jiān)測凌日，試圖用凌日透射光譜探測大氣。每次凌日都會提供一個時間，所以我們可以繼續(xù)優(yōu)化行星質量的數(shù)據(jù)?！?/p>

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2016年發(fā)現(xiàn)圍繞 TrapPIST-1運行的系外行星后，斯皮策太空望遠鏡在恒星系統(tǒng)上記錄了1075個觀測小時，產(chǎn)生了足夠的數(shù)據(jù)，讓天文學家能夠準確確定每顆行星的密度和組成。斯皮策太空望遠鏡于2020年1月退役。藝術家概念圖來源:NASA/JPL-Caltech.

一句話小結：對TrapPIST-1系統(tǒng)中7顆近似地球大小的系外行星進行的一項新研究表明，這7顆行星在成分上極為相似，但可能與地球截然不同。

作者：Amy Oliver

FY：Astronomical volunteer team

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