外星人，你是住这儿嘛？论发现宜居行星TRAPPIST-1的“眼睛”
2017年2月22日，NASA宣布在距离地球大约40光年的水瓶座星系中同时发现了7颗环绕同一恒星的类地行星。此发现打破了NASA同时发现类地行星的纪录，同时由于TRAPPIST-1温度较低而归于低温白矮星，使得环绕的7颗行星都很有可能拥有液态水。更有趣的是根据NASA对行星质量密度的计算，7颗行星均极有可能为固体行星，这意味着这些行星不仅适宜殖民，甚至有可能已经存在生命。（万一三体人住这里，我们可以准备出发反杀了，哈哈）本文作者：Saturn V（土星五号）。
NASA的新发现让谷歌都不禁卖起了萌，而川普当总统才1个月，NASA就发现了7星球，3个宜居，看得出来，NASA科学家其实是在用行动表示——I don't want to live on this planet anymore.
其实说到这里会有人好奇了，这个名叫TRAPPIST-1的星系距离地球40光年，意味着哪怕宇宙中最快的速度光都要走40年，NASA和JPL是怎么发现的，又是怎么精确估算出这7颗行星的具体数据呢？想回答这个问题，要先从此星系的名字开始说起。
TRAPPIST天文台
TRAPPIST其实是位于智利的Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope–South，意为“全自动化太空望远镜”的简写，之所以选择如此蹩脚的简写是因为在比利时列日操纵此望远镜的工作人员想向比利时著名的修道院啤酒致敬（这都是什么和什么啊）。这座直径仅0.6米的天文望远镜在2016年5月发现有三颗环绕单一恒星的行星，随后此恒星星系便被命名为TRAPPIST-1，意指此望远镜发现的第一个星系。
凌日法抽象图
TRAPPIST是如何发现有行星环绕恒星的呢？原理很简单，恒星不断散发出光，环绕它的行星会周期性阻挡此恒星射向地球的光。就像日全食时月球挡住太阳射往地球的光一样，环绕TRAPPIST-1的行星也会阻挡TRAPPIST-1的光。天文学家通过长时间观察恒星光芒的变化，便可发现是否有光衰减，进而判断是否有行星环绕。此法在天文学上常被叫做凌日法。当然由于恒星光芒十分强烈，体积小的行星对恒星光芒的阻挡很难观测到，届时便需要精度更高，干扰更少且使用不同波段的天文望远镜了。
凌日法示意图
地球上观测到的水星凌日（一排小黑点就是不同时刻的水星）
其实若只是发现三颗环绕TRAPPIST-1恒星的行星本身并不新鲜，毕竟发现新的行星对天文学家来说是家常便饭。然而在通过阻挡周期计算出这三颗行星的环绕轨道，进而计算出三颗行星的质量后，TRAPPIST望远镜的工作者们惊喜万分。配合上观测阻挡面积估算的行星体积，列日的天文学家们通过质量密度发现这三颗行星为岩质，各项数据均表明新发现的三颗行星是标准的类地行星。此消息立即引来了一直致力于搜寻类地行星的NASA的兴趣，NASA于是决定调用加州理工和喷气动力实验室（JPL）负责的斯皮策空间望远镜对TRAPPIST-1恒星进行更细致的观测。
发射前的斯皮策空间望远镜
和TRAPPIST望远镜的可见光波段不同，斯皮策空间望远镜为专职红外波段的太空望远镜。红外波段光的波长要长于可见光，而光所释放的能量和波长成反比，也就是说同样的初始能量下，红外波段光的传播距离要长于可见光，衰减也就更小。同时红外波段光能穿透可见光难以穿透的宇宙尘埃，因而十分适合观测太阳系外恒星。
斯皮策的相对地球位置及工作原理
除去观测波段的优势外，斯皮策空间望远镜还有其他任何太空望远镜都没有的优势。和环绕近地轨道飞行的哈勃太空望远镜不同，斯皮策空间望远镜在位于地球公转轨道后方，一条环绕太阳的轨道上，大约位置接近地球和太阳的L5拉格朗日点。此位置让斯皮策避免地球的红外干扰，同时独特的设计让斯皮策的红外阵列相机能保持5.5K的温度一直背对太阳，避免了太阳的红外干扰。
斯皮策望远镜(左)所观测到的7个行星的光变曲线示意图（右），凹陷的地方是因为行星的遮挡效应
接近真实比例的TRAPPIST-1星系想象图（这图感觉“太阳”长了两个眼睛在一脸无辜的注视着小弟们）
在接到TRAPPIST-1星系的消息后，斯皮策空间望远镜在2016年秋天对TRAPPIST-1恒星进行了长达500个小时的连续观测，获得了足够多的可能的行星凌日数据。在对这庞大的数据进行接近半年的分析后，JPL终于破解了TRAPPIST-1星系复杂的，由7颗类地行星环绕一颗低温白矮星构成的星体结构。对TRAPPIST-1恒星亮度的观测亦估算出其温度，JPL发现7颗行星中有3颗是在TRAPPIST-1恒星的宜居带内，也就是说行星表面温度不会过高使得水全部蒸发为水蒸气，亦不会过低使水全部凝固成冰。
行星宜居带，JPL超形象化的图里中间三颗行星附近有水，外边两个行星附近是冰，最近两个行星附近是水蒸气
7颗行星各数据与太阳系类地行星对比。从上至下分别是环绕周期（以地球日计算），恒星距离（AU，地球至太阳平均距离），行星半径（以地球半径计算），行星质量（以地球质量计算）
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发布会视频，感谢watchthis字幕组翻译
那么在发现这些全新的类地行星后，NASA和JPL会做什么呢？如果把TRAPPIST望远镜比做10倍放大镜，斯皮策太空望远镜比做100倍放大镜，接下来登场的便是1000倍放大镜了。早在2016年5月哈勃太空望远镜便利用优于斯皮策的分辨率对TRAPPIST-1的三颗行星进行大气观测，试图通过行星大气颜色来计算大气主要成分。不过很可惜碍于近地轨道的干扰限制，哈勃并不是NASA所期望的“1000倍放大镜”, NASA梦寐以求的太空望远镜现在正在马里兰州的戈达德太空飞行中心进行测试。
JWST（左）和哈勃大（右）小对比
哈勃（左）和JWST（右）第一级主镜片大小对比，韦伯（JWST）很可能会取得不逊于哈勃的科学成就，但是从工程、进度和经费上来讲，这个项目就是个灾难（链接）。
没错，那就是詹姆斯•韦伯空间望远镜（JWST）。JWST继承了斯皮策的红外波段，18面镀金镜面组成直径约6.5米的主镜片为JWST提供了远超哈勃的观测精度和分辨率。除此之外JWST将会部署在地球和太阳的L2拉格朗日点，此点使得JWST和地球以及太阳相对静止，同时由于L2位于地球远离太阳侧，JWST可以躲在地球的阴影下最大限度避免太阳的红外干扰。
JWST计划进入环绕图中L2处的相对稳定轨道
NASA计划JWST在2018年10月由欧洲人的阿丽亚娜-5火箭在圭亚那太空中心发射，届时对TRAPPIST-1星系的7颗类地行星进行详细大气观测会是JWST的重要目标之一。NASA希望JWST能通过光谱分析出行星大气中水，氧气，甲烷和臭氧等的含量，进一步确定这7颗行星是否真的宜居。
NASA制作的此次7颗地外行星发现的宣传海报。由于这7颗行星环绕轨道较为接近，在其中一颗的地表上可以看到其余6颗的全貌。（也就是说图中的景象在这些星球上是真的）衷心希望海报里描述的行星“跳跃”的星际殖民时代，能有一天成为现实。
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最后再来视频回顾一下这个过程
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