天文学家们正利用美国国家航空航天局(NASA)/欧洲航天局(ESA)/加拿大航天局(CSA)的詹姆斯·韦布空间望远镜,对TRAPPIST – 1星系展开研究,展现出该望远镜在获取系外行星大气详细信息方面前所未有的能力,并学会如何处理这些数据。目前,韦布望远镜对TRAPPIST – 1e的观测已得出首批结果。虽然韦布最初的四次观测尚不足以确认其大气层的存在,但科学家们正利用这些数据缩小该行星可能的情况,包括诸如全球表面海洋,或类似土星卫星泰坦那样富含甲烷的环境等可能性。与此同时,更多创新性的韦布观测正在进行中,最终将揭示TRAPPIST – 1e究竟属于何种类型的星球。
TRAPPIST – 1是位于水瓶座的一颗超冷矮星,距离地球38.8光年。这颗恒星仅略大于木星,质量仅为太阳的8% 。它快速旋转,并产生高能的紫外线辐射耀斑。TRAPPIST – 1拥有七颗凌日行星,分别名为TRAPPIST – 1b、c、d、e、f、g和h。所有这些行星的大小与地球和金星相近,或略小一些,且轨道周期非常短,分别为1.51天、2.42天、4.04天、6.06天、9.21天、12.35天和20天。
它们很可能都处于潮汐锁定状态,这意味着行星的同一面始终朝向恒星,就像月球始终以同一面朝向地球一样。这使得每颗TRAPPIST – 1行星都存在永久的黑夜面和白昼面。在该星系的七颗行星中,TRAPPIST – 1e尤其引人关注,因为它绕恒星运行的距离理论上可能使行星表面存在水,但前提是该行星拥有大气层。
空间望远镜科学研究所的内斯特·埃斯皮诺萨博士及其同事,在TRAPPIST – 1e凌日(即从其恒星前方经过)时,将韦布的近红外光谱仪(NIRSpec)对准了该星系。如果行星存在大气层,穿过大气层的星光将被部分吸收,到达韦布望远镜的光谱中相应的下降部分,将告知天文学家大气中存在哪些化学物质。随着每次额外的凌日,收集到的数据增多,大气成分也会变得更加清晰。
尽管由于目前仅分析了四次凌日,TRAPPIST – 1e仍存在多种可能性,但研究人员确信该行星已不再拥有其原始大气层。TRAPPIST – 1是一颗非常活跃的恒星,频繁出现耀斑,因此研究人员并不惊讶于该行星可能形成时的任何氢氦大气层,会被恒星辐射剥离。然而,包括地球在内的许多行星,在失去原始大气层后会形成更重的次生大气层。TRAPPIST – 1e有可能从未形成次生大气层。
科学家们表示:“我们开发了处理韦布数据的新方法,以确定TRAPPIST – 1e潜在的大气层和表面环境。”TRAPPIST – 1e的大气层不太可能以二氧化碳为主导,就像金星的浓厚大气层和火星的稀薄大气层那样。不过,天文学家谨慎指出,它与我们的太阳系并无直接相似之处。康奈尔大学的尼科尔·刘易斯博士说:“TRAPPIST – 1与我们的太阳截然不同,因此其周围的行星系统也大不相同,这对我们的观测和理论假设都构成了挑战。”
“如果TRAPPIST – 1e上存在液态水,那么将伴随着温室效应,各种气体,特别是二氧化碳,会使大气层保持稳定,使行星保持温暖。”“少量的温室效应就能产生很大影响,而且测量结果并未排除存在足够二氧化碳以维持表面一些水的可能性。”根据研究小组的分析,水可能以全球海洋的形式存在,或者覆盖行星上恒星永远处于正午位置的较小区域,周围环绕着冰。这是有可能的,因为考虑到TRAPPIST – 1行星的大小及其与恒星的近距离轨道,它们都被认为处于潮汐锁定状态,一侧始终面向恒星,另一侧始终处于黑暗中。
麻省理工学院卡弗里天体物理学与空间研究所的天文学家安娜·格利登博士说:“我们实际上仍处于了解利用韦布能开展何种惊人科学研究的早期阶段。能够测量40光年外地球大小行星周围星光的细节,并了解那里可能是什么样的,以及是否可能存在生命,这令人难以置信。我们正处于一个令人兴奋的新探索时代。”韦布的新结果在发表于《天体物理学杂志快报》的两篇新论文中进行了分析。
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