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第14章 Trappist-1e(2/6)

成员、天文学家埃马纽埃尔·贾诺特(Emmanuel Jehin)回忆:“我们一开始以为是仪器误差,但信号太规律了,不可能是噪音。”

    接下来的两年里,他们用斯皮策空间望远镜(Spitzer Space telescope)的红外相机进行确认——因为红矮星的红外辐射更强,凌日信号的精度更高。2017年2月,他们公布了最终结果:trappist-1周围有七颗类地行星,轨道都在恒星的“宜居带”附近。

    2.2 七行星的“排列”:挤在恒星的“手腕上”

    trappist-1系统的行星轨道极其紧凑——七颗行星的轨道半径都在0.01到0.06天文单位之间(1天文单位=地球到太阳的距离,约1.5亿公里)。相比之下,水星到太阳的距离是0.39天文单位,木星是5.2天文单位——trappist-1的行星系统,就像把太阳系的水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星全部塞进水星轨道以内。

    用贾诺特的话来说:“如果把trappist-1放在太阳的位置,七颗行星都会在太阳系内部运转,甚至比水星还近。”这种紧凑结构,源于红矮星的“弱引力”——因为恒星质量小,行星不需要离得太远就能保持轨道稳定。

    三、trappist-1e:第四颗行星,刚好在“宜居带”的中心

    在trappist-1的七颗行星中,trappist-1e是第四颗,也是最受关注的“宜居候选者”。它的参数,完美契合人类对“类地行星”的想象:

    3.1 基本属性:和地球“差不多大”

    通过凌日法,天文学家计算出trappist-1e的:

    轨道半径:0.028天文单位(约420万公里)——相当于水星到太阳距离的1\/9;

    轨道周期:6.1天——也就是说,trappist-1e上的一年只有6天;

    质量:0.69倍地球质量(通过恒星的“径向速度”变化计算,即行星引力对恒星的拉扯);

    半径:0.92倍地球半径(通过凌日时的亮度下降幅度计算);

    密度:5.6克\/立方厘米(地球密度是5.5克\/立方厘米)——几乎和地球一样。

    密度是判断行星成分的关键指标。trappist-1e的密度与地球接近,说明它和地球一样,是岩石行星:有一个铁镍核心,外面包裹着硅酸盐 mantle(地幔),可能还有固态或液态的地核。

    3.2 宜居带的位置:刚好“不冷不热”

    对于红矮星来说,“宜居带”的定义与太阳系完全不同——因为红矮星温度低,宜居带必须离恒星更近,才能让表面温度允许液态水存在。

    天文学家用“保守宜居带”(servative habitable Zone)来衡量:即行星表面温度在0c到100c之间,液态水可以稳定存在。对于trappist-1来说,这个范围是0.01到0.03天文单位。而trappist-1e的轨道半径是0.028天文单位,刚好落在宜居带的中心区域。

    通过气候模型计算,trappist-1e的表面温度约为25c(地球是15c)——如果它有大气层,这个温度刚好适合液态水存在。

    3.3 “类地”的证据:从密度到轨道

    trappist-1e的“类地性”,不止体现在大小和温度上:

    轨道偏心率:0.007(地球是0.017)——几乎是正圆轨道,不会有极端季节变化;

    潮汐锁定:由于离恒星太近,trappist-1e很可能被潮汐锁定——一面永远对着恒星(“白天”),另一面永远黑暗(“夜晚”)。但它的一天等于6.1地球天,所以“白天”和“夜晚”的温差可能不会太大(类似月球,但因为有大气层,温差会被缩小);

    恒星辐射:trappist-1的亮度是太阳的0.05%,但trappist-1e离得近,接收到的辐射总量与地球差不多(约为地球的1.1倍)——这意味着,它的能量输入与地球类似,足以维持液态水。

    四、宜居性的“问号”:trappist-1e的“生存挑战”

    尽管trappist-1e看起来完美,但它要成为“第二个地球”,还面临三个致命问题:大气层是否存在?液态水能否稳定存在?恒星活动会不会剥离它的大气?

    4.1 大气层:生命的“保护罩”

    大气层对行星的重要性,不言而喻:它能保持表面温度,阻挡有害辐射,提供呼吸的气体。但红矮星的行星,很难保留大气层——因为恒星的“恒星风”(高速带电粒子流)更强,会慢慢剥离行星的大气。

    trappist-1的恒星风强度是多少?天文学家通过日冕物质抛射(cmE)观测计算:trappist-1的cmE频率约为每年10次,比
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