TRAPPIST-1 类太阳系在几年前被观测到时引起了极大的兴趣。2016年,天文学家使用智利拉西拉天文台的凌日行星和星子小型望远镜(TRAPPIST),探测到两颗围绕这颗红矮星运行的岩石行星,这颗红矮星被命名为TRAPPIST-1。然后,在2017年,一项更深入的分析发现了另外五颗岩石行星。
这是一个非凡的发现,特别是因为其中多达四颗行星与恒星的距离合适,可以存在液态水。
现在,TRAPPIST-1系统仍然得到了很多科学关注。对于行星科学家来说,恒星可居住区内潜在的类地行星就像磁铁一样具有无穷的吸引力。
在一个系统中发现7颗这样的行星是一个独特的科学机会,可以研究有关系外行星可居住性的各种相互关联的问题。TRAPPIST-1是一颗红矮星,关于系外行星可居住性的最突出问题之一与红矮星(M矮星)有关。这些恒星和它们强大的耀斑会把大气层从它们的行星上赶走吗?
《行星科学杂志》上的一项新研究调查了TRAPPIST-1系统行星上的大气逃逸。它的标题是“热流体力学大气逃逸对Trappist-1行星的影响”。华盛顿大学天文学和天体生物学专业的研究生梅根·贾卢卡(Megan Gialluca)是该研究的主要作者。
银河系中的大多数恒星都是M型矮星。正如TRAPPIST-1所表明的那样,它们可以容纳许多类地行星。在这类恒星周围,木星大小的大型行星相对较少。
很有可能大多数类地行星都围绕M矮星运行。
但M矮星的耀斑是一个已知的问题。虽然M矮星的质量远不如太阳,但它们的耀斑比太阳发出的任何东西都要高能得多。一些M矮星耀斑可以在几分钟内使恒星的亮度增加一倍。
另一个问题是潮汐锁定。由于M矮星释放的能量较少,它们的宜居带比像太阳这样的主序星周围的区域要近得多。这意味着,潜在的宜居行星更有可能被潮汐锁定在它们的恒星上。
这给宜居性造成了一系列障碍。地球的一侧将承受燃烧的冲击并变暖,而另一侧将永远黑暗和寒冷。如果有大气层,可能会有非常强大的风。
作者写道:“由于M矮星是我们所在恒星附近最常见的恒星,它们的行星系统是否能够孕育生命,是天体生物学中的一个关键问题,可能会在短期内进行观测测试。”他们解释说:“对M矮星宿主的大气特征感兴趣的类地行星目标可以用JWST访问。”他们还指出,未来的大型地面望远镜,如欧洲超大望远镜和巨型麦哲伦望远镜也可能有所帮助,但它们还需要数年时间才能投入使用。
红矮星及其行星比其他恒星及其行星更容易观测。红矮星又小又暗,这意味着它们的光线不会像其他主序星那样淹没行星。但是,尽管它们的亮度较低,体积较小,但它们对宜居性提出了挑战。
与其他恒星相比,M矮星的主序前阶段较长,在这段时间内最亮。一旦它们进入主星序,与太阳这样的恒星相比,它们的恒星活动就会增强。这些因素都可以将大气层从附近的行星上驱离。即使没有耀斑,距离Trappist-1最近的行星(以下简称T-1)接收的辐射也是地球的四倍。
作者写道:“除了光度的演变,恒星活动的增加也增加了M矮星的恒星XUV,这增加了大气的损失。”这也会造成生物特征的假阳性,从而使理解行星大气光谱变得困难。M矮星周围的系外行星预计会有以非生物氧为主的厚厚的大气层。
尽管面临挑战,T-1系统是研究M矮星、大气逃逸和岩石行星可居住性的绝佳机会。“TRAPPIST-1是JWST一般和保证时间观测的高优先级目标,”作者写道。JWST观测了T-1系统的一部分,这些数据是这项工作的一部分。
在这项工作中,研究人员模拟了每个T-1行星的早期大气,包括陆地海洋(TO)中不同的初始水量。他们还模拟了不同时间内不同数量的恒星辐射。他们的模拟使用了T-1行星的最新数据,并使用了各种不同的行星演化轨迹。
结果并不好,特别是对于离红矮星最近的行星。
研究人员解释说:“我们发现,内部行星T-1b、c和d除了最大的初始含水量(分别>60、50和30 TO)外,其他行星可能都是干燥的,而且由于它们靠近主星,完全失去大气的风险最大。”然而,根据它们最初的TO,它们可以保留大量的氧气。氧气可能是生物特征的假阳性。
外行星的情况要好一点。它们可以保留一些水分,除非它们的初始水分低至约1 TO。他们写道:“我们发现T-1e、f、g和h最多分别损失约8.0、4.8、3.4和0.8 TO。”。这些外行星可能也比内行星含有更多的氧气。由于T-1e、f和g都在恒星的宜居带内,这是一个有趣的结果。
T-1c特别令人感兴趣,因为在他们的模拟中,无论初始TO是高还是低,它都保留了最多的大气氧气。
T-1行星的潜在可居住性是系外行星科学中的一个重要问题。恒星的类型,岩石行星的数量,以及观测的便利性都使它成为观测目标的首选。如果我们不了解这个系统,我们就永远不会真正了解系外行星的可居住性。更好地理解它的唯一方法是更彻底地观察它。
作者在他们的结论中写道:“这些结论激发了后续观测,以寻找T-1c上是否存在水蒸气或氧气,以及未来对TRAPPIST-1系统中可能拥有大量水的外行星的观测。”
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