生活在TRAPPIST-1系統中七顆地球大小的行星中的一顆上確實很奇怪。天空中若隱若現的是一顆巨大的紅色恒星，它容易爆發火焰，看起來比太陽大幾倍。一天中的時間是不存在的;每顆行星都被潮汐釘選在恒星上，所以一面永遠是炙熱的，另一面永遠是冰凍的。在白天和黑夜的分界線上——這是唯一一個氣候還可以忍受的地方——風不停地吹著，星星掛在地平線上，永遠是夕陽西下。
漫步到黑暗的一面，你的行星同伴就進入了視野。每隔幾天，就會有一顆或多顆像漂浮的燈籠一樣從頭頂飛過，比月亮還大。敏銳的夜空觀測者可能還會註意到一顆明亮的黃色恒星，它是該系統的近鄰之一，並想知道在人類稱之為太陽的地方附近會有什麽樣的生命。
但對於我們這些生活在41光年外被這顆溫和的黃色恒星溫暖的世界上的人來說，探索TRAPPIST-1行星中的一顆是否能為我們想象中的觀察者提供一個舒適的家，一直是一項令人沮喪的工作。
當TRAPPIST-1周圍的七顆已知行星在2017年被發現時，它們不僅是給科幻作家的禮物，也是給天文學家的禮物，他們認為這個系統是用美國太空總署已有兩年歷史的軌域天文台JWST尋找宜居行星的最佳地點。這似乎是工具和目標的完美結合。JWST在紅外波段探測系外行星大氣層的能力是獨一無二的，在那裏，水和二氧化碳等有利於生命的分子會留下指紋。TRAPPIST-1除了相對較近之外，還是一顆只比木星稍大的紅矮星，它的光線很冷很暗，不會淹沒周圍行星的光線。這些巖石行星的旋轉軌域比水星的要緊湊得多，這意味著盡管這顆恒星很弱，但據估計，七顆行星中有四顆位於宜居帶，表面可能存在液態水。三周或更短的快速軌域也意味著行星定期從地球和JWST的有利位置穿過恒星的表面。
這些淩日現象對觀測者來說是一個福音，因為如果有大氣層，一些星光就會穿過它。它的化學成分可以選擇性地吸收特定波長的光，在星光的光譜中產生波谷。天文學家已經利用這項技術在大型、高溫、不適宜居住的行星的大氣中發現了二氧化碳、甲烷和水存在的證據。探測到TRAPPIST-1行星周圍的這些氣體將有助於建立它們可能適合生命居住的案例。
這絕不是一件容易的事，因為像TRAPPIST-1這樣的紅矮星往往是狂暴的，它們的噴發和燃燒方式可能會炸掉大氣層，也會混淆JWST試圖探測到的微弱大氣訊號。到第三年結束時，JWST將在TRAPPIST-1上花費175小時的觀測時間。然而，JWST還沒有發現任何關於TRAPPIST-1行星周圍有大氣層的確鑿證據。
因此，一些天文學家希望擴大研究範圍。一個為NASA和空間望遠鏡科學研究所(STScI)提供建議的工作小組，正在呼籲對各種紅矮星周圍的15到20個小型巖質行星進行500小時的廣泛研究，以一勞永逸地解決這些行星是否可以擁有大氣層。衛斯理大學(Wesleyan University)工作群組主席賽斯雷德菲爾德(Seth Redfield)表示:「如果我們一無所獲，那將令人失望，但有一個明確的答案會讓人感覺很好。」
其他人開始認為，對宜居性的搜尋需要擴大到包括其他類別的行星。它們一定是巖石和地球大小的嗎?也許更大的超級地球，可以被全球海洋包裹，也應該被考慮。或者一個更大的天體，一個迷你海王星，可以在厚厚的氫大氣下容納一個水海洋，讓足夠的生命之光進入。愛丁堡大學天體生物學中心主任卓思·科克爾說:「這些都是推測性的，與我們所知道的有生命的行星體非常不同。」「但任何具備合適條件的行星都應該被調查。」
7顆TRAPPIST-1行星中的4顆(d到g)位於其恒星的宜居帶，表面可能有液態水
無論大小如何，目前只有少數幾個在JWST的範圍內。蒙特利爾大學的天文學家ren<s:1> Doyon只列舉了六顆:四顆溫帶的TRAPPIST-1行星尚未被徹底搜尋，一顆可能有水的超級地球被稱為LHS 1140b，一顆被氫包裹的類似海王星的行星被稱為K2-18b。「我們只有少數幾個物件，」Doyon說。lieges大學的Michaël Gillon，他的團隊發現了TRAPPIST-1的行星，同樣的悲觀。他說:「我們可能會有驚喜，但可居住的行星現在有點遙不可及。」
時間也是有限的。JWST現在預計將持續長達20年，是發射時預測的兩倍，但是發現和研究可居住的大氣，這比預期的要困難，可能會推遲時間限制。「小型系外行星真的很難。這會很混亂，」雷德菲爾德說。「我們正處於懸崖邊上，但很難確定距離懸崖有多近。」
天文學家一直認為，另一顆恒星附近最有可能存在生命的地方是一顆像地球一樣的巖石行星。「我們不可能到處尋找，」科克爾說，「縮小範圍的最好方法是遵循我們所知道的生命的限制。」大氣中的氧氣不是必需品，因為地球上的生命沒有它就存在。但大多數天體生物學家都認為，最起碼我們需要水、能量來源和一個讓益生元分子集中和反應的地方。可能是在陽光明媚的海岸線上的巖石池裏，在溫泉裏，或者在海洋熱液噴口附近。而且你需要一個溫和的氣候來保持水的液態，而二氧化碳等溫室氣體有助於保持這種液態。
但是真正的「地球孿生兄弟」——在類似地球的軌域上圍繞類似太陽的恒星執行的大小相似的行星——並不容易研究。用現在的望遠鏡是不可能拍攝到這樣一顆行星的照片的，它們只能直接拍攝到那些在寬軌域上最大、最熱的行星，這些行星使它們遠離恒星的眩光。即使從地球的孿生兄弟那裏獲得淩日數據也很困難:它每365天才會淩日一次，而且，當它這樣做時，它對像太陽這樣大而明亮的恒星造成的亮度下降幾乎太小而無法測量。
人們轉而關註小型紅矮星，即m型矮星，它們的大小在太陽的10%到60%之間，亮度不到太陽的7%。對系外行星的調查發現，m矮星上充斥著緊湊軌域上的小型巖石行星，其中一些每隔幾個小時就會淩日一次。而且，在銀河系附近，有很多這樣的星系。在離地球最近的60顆恒星中，有50顆是m型矮星。「從觀測的角度來看，m型矮星對我們非常有吸重力，」雷德菲爾德說。
但對TRAPPIST-1 (m矮星的典型代表)周圍行星的淩日結果顯示，沒有明顯的大氣跡象。一種叫做日食光度法的技術——測量行星消失在恒星後面前後的亮度——的結果也令人沮喪。透過從恒星和行星的亮度中減去恒星的亮度，研究人員可以測量出行星白天的亮度，這是溫度的一個指標。當一顆行星被恒星照亮時，它的溫度可能比預期的要低，因為它的大氣層可能會把熱量帶到它的夜側。
2023年3月，一項對TRAPPIST-1b的研究顯示，沒有證據表明大氣層在緩和。TRAPPIST-1b是最裏面的行星，接收的輻射是地球的四倍。2023年7月，研究人員轉向了它的鄰居TRAPPIST-1c，它的大小和從它的恒星接收的輻射與金星相似，這使得人們希望它有厚厚的大氣層。他們發現它也很熱，這表明幾乎沒有空氣將熱量吹到它的夜側。然而，該團隊不能排除稀薄的氣體層，後來的建模工作表明，一縷氧氣或水蒸氣可能符合數據。
考慮到TRAPPIST-1b和c離恒星很近，在它們周圍找到大氣層的可能性一直很小。但馬克斯普朗克天文研究所的Laura Kreidberg說，還有一個更根本的問題:TRAPPIST-1行星由於其恒星的存在而容易失去大氣。m型矮星在它們年輕的時候特別狂暴，它們會用紫外線和x射線輻射爆炸附近的行星，使其大氣層消失。即使一顆行星的大氣層在其恒星動蕩的年輕時期幸存下來，m型矮星也會在它們漫長的一生中繼續閃耀。這些緩慢燃燒的恒星預計將持續數萬億年，比太陽長數百倍，而TRAPPIST-1的年齡已經接近太陽的兩倍。
盡管遇到了挫折，但研究人員仍熱衷於從TRAPPIST-1b和c向系統中更冷的行星推進，這些行星離恒星更遠，更有可能保留任何大氣層。但這是以望遠鏡時間為代價的，因為溫度較低的行星發射的紅外線較少，使得日食光度測定更加困難。此外，較冷的大氣層將收縮到離行星更近的地方，削弱任何淩日訊號。例如，據估計，JWST將需要100多個小時的觀測時間來探測到較冷的TRAPPIST-1行星周圍的二氧化碳。克雷德伯格說:「每個星球需要多少小時，這是一個令人震驚的問題。」
JWST的時間是寶貴的。每年，STScI都會在數百個觀測團隊中分配1萬多個小時，其中只有大約30%的時間用於研究系外行星。2023年，STScI代理主任南茜·利文森意識到仔細觀察冰冷的巖石系外行星需要多長時間，她為系外行星天文學家提供了500小時的特殊「主任自由支配時間」，這是從7月1日開始的第三年觀測。她說:「這是我們正常的時間分配過程中不會發生的事情。」
STScI成立了一個工作小組，由Redfield領導，建議如何利用這段時間。在過去的一年裏，該組織舉行了三次市政廳會議，收到了42份建議方案的白皮書。4月1日，該小組建議用500個小時對m型矮星周圍的15到20顆巖石行星進行調查，以明確回答這樣的世界是否有大氣層的問題。雷德菲爾德說:「我們將嘗試探索一個足夠廣泛的樣本，這樣我們就會知道這樣或那樣的方法。
這個提議並不要求透過費力地收集淩日光譜來描述大氣層的特征。相反，它說天文學家應該使用日食光度法來簡單地探測大氣層是否存在。一些人認為缺少光譜分析和放棄trappist -1是錯失的機會。「我想要一個更平衡的專案，」多揚說。
TRAPPIST-1倡導者的另一個擔憂是，只有一個研究該系統的專案被批準進入周期3。這項研究在第3和第4個周期中進行了129個小時的研究，將測試一種新的策略，以消除恒星活動的影響，恒星活動每天都在變化。有15次，當TRAPPIST-1b和e都快速連續經過時，JWST將觀測到這顆恒星。淩日b將給觀測者一個沒有大氣存在的光譜。當e淩日之前或之後不久，恒星應該處於非常相似的狀態，所以如果兩個光譜之間有任何差異，它們應該是由於e的大氣單獨吸收。
麻省理工學院的行星科學家Julien de Wit說，盡管這一策略如果成功將非常有價值，但一些人一直希望對TRAPPIST-1行星進行更系統的檢查。「我們希望，在這個專案完成之前，對該系統的探索不會被擱置。」
盡管m型矮星可能是最常見的恒星類別，但像地球這樣的巖石世界並不是最常見的行星類別。在迄今確認的5600多顆系外行星中，絕大多數行星的大小介於巖石地球和氣態巨行星之間——這是太陽系中從未見過的。一顆介於巖石和氣體之間的行星究竟是什麽樣子，以及它是否也可能適合居住，這在很大程度上仍然是一個謎，盡管它的密度可能會提供線索。
如果一顆行星的密度很高，它可能有類似地球的成分:一個被巖石包圍的鐵核和稀薄的大氣層。如果密度更低，各種可能性就會出現:它可能有一個巖石內核，周圍有一個深而厚的氫大氣層，或者它可能有一個稍薄的大氣層和一個全球性的海洋或一層冰。為了解開這些可能性，研究人員需要探測這顆行星的大氣層，看看他們的發現是否與基於這顆行星組成的氣候模型相符。
JWST一直在研究的一顆這樣的行星是LHS 1140b，這顆行星正好位於其m矮星的宜居帶，距離地球49光年。今年1月，Doyon的團隊報告了對其質素(是地球的5.6倍)和大小(是地球的1.73倍)的精確測量，使其密度低於按比例放大的地球。
從左到右:ianm35 / getty images;brightstar /蓋蒂圖片社
今年3月，其他研究人員描述了2023年7月拍攝的LHS 1140b的首個JWST淩日光譜。這些數據發表在arXiv的預印本上，是初步的，但它們顯示出可能是一個像地球一樣以氮為主的大氣，根本沒有氫的跡象，因此水或冰是其低密度的最受歡迎的解釋。「這就是為什麽我們對這顆行星感到興奮，」加州理工學院的團隊成員胡仁宇說。
根據2023年12月對LHS 1140b進行的兩次淩日觀測，Doyon和他的同事在未發表的研究中證實了LHS 1140b缺乏氫。根據他們的氣候模型，這就留下了兩種可能的情況:這顆行星可能是一顆包裹著水冰的沒有空氣的巖石，就像木星的衛星木衛二一樣;他說，或者，如果它的大氣層更厚，並且被二氧化碳加熱，那麽這些冰可能會被一個溫暖舒適的「靶心海洋」打斷，這個「靶心海洋」在它面向恒星的一面中間，有大西洋的一半大。
Doyon說，在他的六個潛在宜居世界的候選名單中，LHS 1140b是最有可能保留大氣層的。「我們需要用JWST進行更多的觀測!」但這將是一個挑戰。LHS 1140b在天空中的位置意味著它經常在JWST的視野之外，JWST每年只能看到它四次淩日。Doyon說，要確認該行星的大氣層，並確定它是否含有二氧化碳——這是水表面的一個指標，需要進行多達12次的淩日觀測。
更令人猜測的是，更接近海王星大小的東西可能在厚厚的富氫大氣下孕育生命。其中一個候選行星是K2-18b，它的質素是地球的8.6倍，距離地球124光年。由劍橋大學的Nikku Madhusudhan領導的一個團隊研究了哈伯太空望遠鏡於2019年拍攝的這顆行星的光譜，發現了氫的證據，這是大型氣態行星的預期。該團隊模擬了在這樣的大氣下，迷你海王星周圍可能存在什麽樣的氣候。他們發現了少數可以存在液態水海洋的解決方案，由於其中等厚度的大氣產生的溫室效應，溫度保持在適當的水平。
該團隊去年用JWST對K2-18b進行了另一次觀測。在太陽系中，有富氫大氣層的行星，比如土星，也含有少量的氨和甲烷。陽光會在高層大氣中分解這些化合物，但它們會在低層再生。根據Madhusudhan團隊的模型，在K2-18b上，稀薄的大氣和水海洋可能會幹擾這種迴圈，尤其是氨的迴圈。JWST的淩日光譜與預測相符，顯示了甲烷和二氧化碳的證據，但沒有氨，Madhusudhan說，這是一個跡象，表明水海洋存在。他把K2-18b稱為「海洋」(氫和海洋的混合體)世界。他說:「到目前為止，沒有其他假設與數據相符。」該團隊目前正在研究從其他幾個候選海洋世界獲取的JWST數據。
並不是每個人都願意接受宜居海洋世界的想法。吉倫說:「大多數建模者對亞海王星表面是否存在液態水持悲觀態度。」溫室變暖的程度必須經過精細的調整才能達到溫和的條件，因為這些行星周圍厚厚的氫大氣可以迅速產生失控效應，將表面加熱到沸點以上。它們也可能很厚，以至於對光線不透明。「你能有生命嗎?」你需要紫外線光子穿過來產生復雜的化學反應。」
更一般地說，克雷德伯格懷疑生命是否會出現在擁有深海的星球上，因為任何分子構成單元都太稀了。「你永遠不會遇到」其他復雜的分子，她說。科克爾並沒有那麽快就否定這些不熟悉的地方有生命存在。他說:「那裏不同，但物理和化學條件與我們所知道的地方相似。」「這是一個有待驗證的令人興奮的假設。」
盡管進展緩慢，但那些尋找宜居世界的人還是從JWST在更大、更熱的世界上安靜而穩定地發現的驚喜中振作起來。它在wasp - 17b的天空中發現了雪花狀的石英片。它還發現了超音速風，這種風將熱量傳遞到wasp - 43b上充滿雲的夜側。它還在VHS 1256 b的大氣中發現了由粉砂和沙子組成的沙礫雲。
尋找更冷、更濕潤、適合居住的行星肯定也會出現令人驚訝的轉折。就在上個月，NASA的淩日系外行星勘測衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite)發現了一顆行星，它可能成為JWST的另一個有希望的目標:一顆地球大小的溫帶行星，圍繞紅矮星Gliese 12執行，比TRAPPIST-1離地球更近。克雷德伯格說:「這是我們了解巖石行星的第一步。」「這是一個非同尋常的位置。」古登表示同意。「這是一個非常激動人心的時刻。顯然，生活是我們的目標，但我們必須要有耐心。」
