那个备受瞩目的世界，竟没有大气？

KouShare 蔻享学术 2023-08-02

2017年初，天文学家报告发现了7颗岩质行星，围绕着一颗距离地球约40光年的TRAPPIST-1运行。

TRAPPIST-1是一颗超冷红矮星，也称为M型矮星。在银河系中，M型矮星的数量是像太阳这样的恒星的10倍，拥有岩质行星的可能性是像太阳这样的恒星的两倍。与此同时，这些恒星还相当活跃，它们在年轻时非常明亮，耀发和X射线可以抹去行星上的大气。

如果我们想了解M型矮星周围的宜居性，TRAPPIST-1系统就是一个绝妙的天然实验室。

TRAPPIST-1与太阳示意图。（图/ESO）

TRAPPIST-1周围的行星的大小和质量与太阳系内部的岩质行星很相似。它们的质量都在0.3到1.4个地球质量的范围内，其中一些甚至不排除有液态水存在的可能性。

它们和恒星的距离比我们这里任何行星和太阳之间的距离都要近得多，所有的行星都可以被“塞进”水星轨道。这些行星可以从那颗微小的恒星中获得了不小的能量。

TRAPPIST-1系统与内太阳系对比示意图。（图/NASA, JPL-Caltech）

TRAPPIST-1b是这个系外行星系统中最内侧的一颗，它的轨道距离大约只有地日距离的百分之一，接收的能量约为地球从太阳获得的能量的4倍。尽管这颗行星不在宜居带内，但观测这颗行星可以提供有关其他兄弟行星甚至其他M型矮星的行星系的重要信息。

TRAPPIST-1b艺术家畅想图。（图/NASA, JPL-Caltech）

亮度的微小变化

过去，哈勃空间望远镜和斯皮策空间望远镜也对TRAPPIST-1 b进行过观测。在那些观测中，并没有发现那里存在蓬松的大气的证据，但不能排除存在致密大气的可能性。减少不确定性的方法之一是测量这颗行星的温度。

这是一颗被潮汐锁定的行星，也就是说，它的一侧一直面向恒星，另一侧则处于永久的黑暗中。如果这颗行星的周围存在着环绕的大气，能循环并重新分配热量，那么白昼和黑夜的温差应该就没有那么大。模拟表明，在这种情况下，行星的表面温度大致为120摄氏度。

近日，《自然》杂志上的新论文报告了一组国际团队利用韦布空间望远镜（JWST）测量了TRAPPIST-1b的温度。结果表明，这颗行星的白昼侧温度约500开氏度（约230摄氏度），这暗示着，这颗行星似乎没有明显的大气。

不同模型与测量温度的比较。（图/NASA, ESA, CSA, J. Olmsted - STScI; Thomas Greene - NASA Ames, Taylor Bell - BAERI, Elsa Ducrot - CEA, Pierre-Olivier Lagage - CEA）

团队使用了一种叫作次食测光的技术，用JWST的中红外仪器（MIRI）测量了行星在恒星后面移动时系统的亮度变化。尽管TRAPPIST-1b的温度不足以发出可见光，但它发出了红外光。简单来说，通过从恒星和行星的亮度中减去（次食期间）恒星本身的亮度，就能够成功计算出这颗行星发出了多少红外光。

次食测光的光度曲线。（图/ NASA, ESA, CSA, J. Olmsted - STScI; Thomas Greene - NASA Ames, Taylor Bell - BAERI, Elsa Ducrot - CEA, Pierre-Olivier Lagage -CEA）

团队分析了来自5个独立的次食观测的数据，并将结果与显示不同情况下温度应该是多少的计算机模型进行比较。它们的结果几乎与一个由裸岩构成的黑体以及没有大气来循环热量的情况完全一致。

他们也没有看到任何光被二氧化碳吸收的迹象。而如果存在这种吸收，它在这些测量中应该会很明显。

韦布的壮举

JWST对次食的探测本身就是一个重要的里程碑。恒星比行星亮1000多倍，亮度的变化还不到0.1%。想要探测出这种微小的变化差异，难度可想而知。

这也是首次探测到像太阳系中岩质行星那样低温的小型系外行星发出的任何形式的光。这一结果标志着，科学家在确定像TRAPPIST-1这样围绕小型活跃恒星运行的行星是否能够维持支持生命所需的大气层方面，迈出了重要一步，也证明了JWST在中红外波段的强大能力。

目前，研究团队正在对TRAPPIST-1b进行进一步的次食观测，他们希望最终能够捕捉到一条完整的相位曲线，展示整个轨道上的亮度变化。这将让他们能够观测到温度的昼夜变化，并进一步确认这颗行星有没有大气。

#创作团队：

撰文：Takeko

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/nasa-s-webb-measures-the-temperature-of-a-rocky-exoplanet