2016年,位于智利拉西亚天文台的TRAPPIST望远镜(凌星行星与行星小望远镜,Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope)正在进行M型红矮星的凌星搜索。这台望远镜口径只有0.6米,却专门针对M型红矮星优化——它的红外探测器能捕捉到低温恒星的微弱凌星信号。
在对特拉普派-1的持续观测中,TRAPPIST团队发现了3次明显的亮度下降:
第一次:亮度下降1.5%,周期1.5天(对应行星b);
第二次:亮度下降0.9%,周期2.4天(对应行星c);
第三次:亮度下降0.5%,周期4.1天(对应行星d)。
这是人类首次在特拉普派-1周围发现行星,但TRAPPIST团队不敢大意——他们需要确认这些信号不是“恒星黑子”或“数据误差”。于是,他们转向了Spitzer空间望远镜(斯皮策红外空间望远镜),这台望远镜专门观测红外波段,对M型红矮星的凌星信号更敏感。
2. 第二步:Spitzer的“确认之战”(2017年)
2017年,Spitzer对特拉普派-1进行了连续72天的监测,覆盖了整个行星系统的轨道周期。这次观测不仅确认了TRAPPIST发现的3颗行星,还新增了4颗行星——e、f、g、h,让系统行星数量达到了7颗!
Spitzer的关键贡献在于:
精确测量轨道周期:比如行星e的周期是6.1天,行星f是9.2天,行星g是12.4天,行星h是18.8天;
限制行星半径:通过凌星深度(亮度下降的比例),Spitzer计算出7颗行星的半径都是地球的0.76-1.15倍——也就是说,它们都是“地球大小”或“超地球”(比地球大,比海王星小)。
3. 第三步:径向速度法的“质量验证”(2018年至今)
凌星法能测出行星的半径,但要算出质量,需要径向速度法(Radial Velocity Method)——通过恒星光谱线的位移,推断恒星受到的引力牵引,从而计算行星的质量。
2018年,天文学家用HARPS光谱仪(高精度径向速度行星搜索器)对特拉普派-1进行了观测,测出了7颗行星的质量:
行星b:1.37倍地球质量;
行星c:1.18倍地球质量;
行星d:0.41倍地球质量(次地球);
行星e:0.62倍地球质量;
行星f:0.68倍地球质量;
行星g:1.15倍地球质量;
行星h:0.32倍地球质量(次地球)。
有了质量和半径,就能算出行星的密度——这直接关系到它们的成分:
行星b、c、g、h的密度约为1.5-2.0克/立方厘米(和地球的5.5克/立方厘米相比更低),说明它们可能含有大量水或冰;
行星d、e、f的密度约为3.0-4.0克/立方厘米,更接近地球,可能有固态表面和金属核心。
至此,特拉普派-1的7颗行星“全阵容”正式亮相——它们是人类历史上第一次在一颗恒星周围发现如此多地球大小的行星,也是第一次在M型红矮星周围发现这么多潜在宜居的行星。
三、7颗行星的“个性档案”:从“地狱般的热”到“温柔的凉”——宜居带的“边界游戏”
特拉普派-1的7颗行星,按离恒星的距离从近到远编号为b到h。它们的轨道周期从1.5天到18.8天不等,温度从38℃到-100℃不等。现在,我们逐一拆解它们的特性,重点关注那几颗“宜居带内的行星”。
1. 行星b:离恒星最近的“烤地瓜”——温度38℃,有没有大气层?
行星b是离特拉普派-1最近的行星,轨道半径仅0.011AU(约165万公里,比水星离太阳近一半),公转周期1.5天。它的质量是1.37倍地球,半径1.01倍地球,密度约2.0克/立方厘米。
平衡温度(没有大气层时的表面温度)约为38℃——听起来很宜人,但实际情况可能很糟糕:
因为离恒星太近,特拉普派-1的耀斑活动会直接轰击行星b的表面,释放大量紫外线和X射线,剥离它的大气层;
即使有大气层,潮汐锁定会让它的正面永远对着恒星,温度可能高达100℃以上,背面则是-50℃以下,液态水无法稳定存在。
2. 行星c:第二近的“超级地球”——密度高,可能有金属核心
行星c的轨道半径0.015AU,周期2.4天,质量1.18倍地球,半径1.15倍地球,密度约2.5克/立方厘米。
它的平衡温度约为50℃,比行星b热,但因为质量更大,引力更强,可能保留了薄大气层。行星c的密度较高,说明它的内部有一个大的金属核心(比如铁和镍),类似地球的地核——这意味着它可能有地质活动,比如火山喷发,释放二氧化碳,形成弱温室效应。
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