生活在TRAPPIST-1系统中七颗地球大小的行星中的一颗上确实很奇怪。天空中若隐若现的是一颗巨大的红色恒星，它容易爆发火焰，看起来比太阳大几倍。一天中的时间是不存在的;每颗行星都被潮汐锁定在恒星上，所以一面永远是炙热的，另一面永远是冰冻的。在白天和黑夜的分界线上——这是唯一一个气候还可以忍受的地方——风不停地吹着，星星挂在地平线上，永远是夕阳西下。
漫步到黑暗的一面，你的行星同伴就进入了视野。每隔几天，就会有一颗或多颗像漂浮的灯笼一样从头顶飞过，比月亮还大。敏锐的夜空观测者可能还会注意到一颗明亮的黄色恒星，它是该系统的近邻之一，并想知道在人类称之为太阳的地方附近会有什么样的生命。
但对于我们这些生活在41光年外被这颗温和的黄色恒星温暖的世界上的人来说，探索TRAPPIST-1行星中的一颗是否能为我们想象中的观察者提供一个舒适的家，一直是一项令人沮丧的工作。
当TRAPPIST-1周围的七颗已知行星在2017年被发现时，它们不仅是给科幻作家的礼物，也是给天文学家的礼物，他们认为这个系统是用美国宇航局已有两年历史的轨道天文台JWST寻找宜居行星的最佳地点。这似乎是工具和目标的完美结合。JWST在红外波段探测系外行星大气层的能力是独一无二的，在那里，水和二氧化碳等有利于生命的分子会留下指纹。TRAPPIST-1除了相对较近之外，还是一颗只比木星稍大的红矮星，它的光线很冷很暗，不会淹没周围行星的光线。这些岩石行星的旋转轨道比水星的要紧凑得多，这意味着尽管这颗恒星很弱，但据估计，七颗行星中有四颗位于宜居带，表面可能存在液态水。三周或更短的快速轨道也意味着行星定期从地球和JWST的有利位置穿过恒星的表面。
这些凌日现象对观测者来说是一个福音，因为如果有大气层，一些星光就会穿过它。它的化学成分可以选择性地吸收特定波长的光，在星光的光谱中产生波谷。天文学家已经利用这项技术在大型、高温、不适宜居住的行星的大气中发现了二氧化碳、甲烷和水存在的证据。探测到TRAPPIST-1行星周围的这些气体将有助于建立它们可能适合生命居住的案例。
这绝不是一件容易的事，因为像TRAPPIST-1这样的红矮星往往是狂暴的，它们的喷发和燃烧方式可能会炸掉大气层，也会混淆JWST试图探测到的微弱大气信号。到第三年结束时，JWST将在TRAPPIST-1上花费175小时的观测时间。然而，JWST还没有发现任何关于TRAPPIST-1行星周围有大气层的确凿证据。
因此，一些天文学家希望扩大研究范围。一个为NASA和空间望远镜科学研究所(STScI)提供建议的工作小组，正在呼吁对各种红矮星周围的15到20个小型岩质行星进行500小时的广泛研究，以一劳永逸地解决这些行星是否可以拥有大气层。卫斯理大学(Wesleyan University)工作组主席赛斯•雷德菲尔德(Seth Redfield)表示:“如果我们一无所获，那将令人失望，但有一个明确的答案会让人感觉很好。”
其他人开始认为，对宜居性的搜索需要扩大到包括其他类型的行星。它们一定是岩石和地球大小的吗?也许更大的超级地球，可以被全球海洋包裹，也应该被考虑。或者一个更大的天体，一个迷你海王星，可以在厚厚的氢大气下容纳一个水海洋，让足够的生命之光进入。爱丁堡大学天体生物学中心主任查尔斯·科克尔说:“这些都是推测性的，与我们所知道的有生命的行星体非常不同。”“但任何具备合适条件的行星都应该被调查。”
7颗TRAPPIST-1行星中的4颗(d到g)位于其恒星的宜居带，表面可能有液态水
无论大小如何，目前只有少数几个在JWST的范围内。蒙特利尔大学的天文学家ren<s:1> Doyon只列举了六颗:四颗温带的TRAPPIST-1行星尚未被彻底搜索，一颗可能有水的超级地球被称为LHS 1140b，一颗被氢包裹的类似海王星的行星被称为K2-18b。“我们只有少数几个对象，”Doyon说。lieges大学的Michaël Gillon，他的团队发现了TRAPPIST-1的行星，同样的悲观。他说:“我们可能会有惊喜，但可居住的行星现在有点遥不可及。”
时间也是有限的。JWST现在预计将持续长达20年，是发射时预测的两倍，但是发现和研究可居住的大气，这比预期的要困难，可能会推迟时间限制。“小型系外行星真的很难。这会很混乱，”雷德菲尔德说。“我们正处于悬崖边上，但很难确定距离悬崖有多近。”
天文学家一直认为，另一颗恒星附近最有可能存在生命的地方是一颗像地球一样的岩石行星。“我们不可能到处寻找，”科克尔说，“缩小范围的最好方法是遵循我们所知道的生命的限制。”大气中的氧气不是必需品，因为地球上的生命没有它就存在。但大多数天体生物学家都认为，最起码我们需要水、能量来源和一个让益生元分子集中和反应的地方。可能是在阳光明媚的海岸线上的岩石池里，在温泉里，或者在海洋热液喷口附近。而且你需要一个温和的气候来保持水的液态，而二氧化碳等温室气体有助于保持这种液态。
但是真正的“地球孪生兄弟”——在类似地球的轨道上围绕类似太阳的恒星运行的大小相似的行星——并不容易研究。用现在的望远镜是不可能拍摄到这样一颗行星的照片的，它们只能直接拍摄到那些在宽轨道上最大、最热的行星，这些行星使它们远离恒星的眩光。即使从地球的孪生兄弟那里获得凌日数据也很困难:它每365天才会凌日一次，而且，当它这样做时，它对像太阳这样大而明亮的恒星造成的亮度下降几乎太小而无法测量。
人们转而关注小型红矮星，即m型矮星，它们的大小在太阳的10%到60%之间，亮度不到太阳的7%。对系外行星的调查发现，m矮星上充斥着紧凑轨道上的小型岩石行星，其中一些每隔几个小时就会凌日一次。而且，在银河系附近，有很多这样的星系。在离地球最近的60颗恒星中，有50颗是m型矮星。“从观测的角度来看，m型矮星对我们非常有吸引力，”雷德菲尔德说。
但对TRAPPIST-1 (m矮星的典型代表)周围行星的凌日结果显示，没有明显的大气迹象。一种叫做日食光度法的技术——测量行星消失在恒星后面前后的亮度——的结果也令人沮丧。通过从恒星和行星的亮度中减去恒星的亮度，研究人员可以测量出行星白天的亮度，这是温度的一个指标。当一颗行星被恒星照亮时，它的温度可能比预期的要低，因为它的大气层可能会把热量带到它的夜侧。
2023年3月，一项对TRAPPIST-1b的研究显示，没有证据表明大气层在缓和。TRAPPIST-1b是最里面的行星，接收的辐射是地球的四倍。2023年7月，研究人员转向了它的邻居TRAPPIST-1c，它的大小和从它的恒星接收的辐射与金星相似，这使得人们希望它有厚厚的大气层。他们发现它也很热，这表明几乎没有空气将热量吹到它的夜侧。然而，该团队不能排除稀薄的气体层，后来的建模工作表明，一缕氧气或水蒸气可能符合数据。
考虑到TRAPPIST-1b和c离恒星很近，在它们周围找到大气层的可能性一直很小。但马克斯普朗克天文研究所的Laura Kreidberg说，还有一个更根本的问题:TRAPPIST-1行星由于其恒星的存在而容易失去大气。m型矮星在它们年轻的时候特别狂暴，它们会用紫外线和x射线辐射爆炸附近的行星，使其大气层消失。即使一颗行星的大气层在其恒星动荡的年轻时期幸存下来，m型矮星也会在它们漫长的一生中继续闪耀。这些缓慢燃烧的恒星预计将持续数万亿年，比太阳长数百倍，而TRAPPIST-1的年龄已经接近太阳的两倍。
尽管遇到了挫折，但研究人员仍热衷于从TRAPPIST-1b和c向系统中更冷的行星推进，这些行星离恒星更远，更有可能保留任何大气层。但这是以望远镜时间为代价的，因为温度较低的行星发射的红外线较少，使得日食光度测定更加困难。此外，较冷的大气层将收缩到离行星更近的地方，削弱任何凌日信号。例如，据估计，JWST将需要100多个小时的观测时间来探测到较冷的TRAPPIST-1行星周围的二氧化碳。克雷德伯格说:“每个星球需要多少小时，这是一个令人震惊的问题。”
JWST的时间是宝贵的。每年，STScI都会在数百个观测团队中分配1万多个小时，其中只有大约30%的时间用于研究系外行星。2023年，STScI代理主任南希·利文森意识到仔细观察冰冷的岩石系外行星需要多长时间，她为系外行星天文学家提供了500小时的特殊“主任自由支配时间”，这是从7月1日开始的第三年观测。她说:“这是我们正常的时间分配过程中不会发生的事情。”
STScI成立了一个工作小组，由Redfield领导，建议如何利用这段时间。在过去的一年里，该组织举行了三次市政厅会议，收到了42份建议方案的白皮书。4月1日，该小组建议用500个小时对m型矮星周围的15到20颗岩石行星进行调查，以明确回答这样的世界是否有大气层的问题。雷德菲尔德说:“我们将尝试探索一个足够广泛的样本，这样我们就会知道这样或那样的方法。
这个提议并不要求通过费力地收集凌日光谱来描述大气层的特征。相反，它说天文学家应该使用日食光度法来简单地探测大气层是否存在。一些人认为缺少光谱分析和放弃trappist -1是错失的机会。“我想要一个更平衡的项目，”多扬说。
TRAPPIST-1倡导者的另一个担忧是，只有一个研究该系统的项目被批准进入周期3。这项研究在第3和第4个周期中进行了129个小时的研究，将测试一种新的策略，以消除恒星活动的影响，恒星活动每天都在变化。有15次，当TRAPPIST-1b和e都快速连续经过时，JWST将观测到这颗恒星。凌日b将给观测者一个没有大气存在的光谱。当e凌日之前或之后不久，恒星应该处于非常相似的状态，所以如果两个光谱之间有任何差异，它们应该是由于e的大气单独吸收。
麻省理工学院的行星科学家Julien de Wit说，尽管这一策略如果成功将非常有价值，但一些人一直希望对TRAPPIST-1行星进行更系统的检查。“我们希望，在这个项目完成之前，对该系统的探索不会被搁置。”
尽管m型矮星可能是最常见的恒星类型，但像地球这样的岩石世界并不是最常见的行星类型。在迄今确认的5600多颗系外行星中，绝大多数行星的大小介于岩石地球和气态巨行星之间——这是太阳系中从未见过的。一颗介于岩石和气体之间的行星究竟是什么样子，以及它是否也可能适合居住，这在很大程度上仍然是一个谜，尽管它的密度可能会提供线索。
如果一颗行星的密度很高，它可能有类似地球的成分:一个被岩石包围的铁核和稀薄的大气层。如果密度更低，各种可能性就会出现:它可能有一个岩石内核，周围有一个深而厚的氢大气层，或者它可能有一个稍薄的大气层和一个全球性的海洋或一层冰。为了解开这些可能性，研究人员需要探测这颗行星的大气层，看看他们的发现是否与基于这颗行星组成的气候模型相符。
JWST一直在研究的一颗这样的行星是LHS 1140b，这颗行星正好位于其m矮星的宜居带，距离地球49光年。今年1月，Doyon的团队报告了对其质量(是地球的5.6倍)和大小(是地球的1.73倍)的精确测量，使其密度低于按比例放大的地球。
从左到右:ianm35 / getty images;brightstar /盖蒂图片社
今年3月，其他研究人员描述了2023年7月拍摄的LHS 1140b的首个JWST凌日光谱。这些数据发表在arXiv的预印本上，是初步的，但它们显示出可能是一个像地球一样以氮为主的大气，根本没有氢的迹象，因此水或冰是其低密度的最受欢迎的解释。“这就是为什么我们对这颗行星感到兴奋，”加州理工学院的团队成员胡仁宇说。
根据2023年12月对LHS 1140b进行的两次凌日观测，Doyon和他的同事在未发表的研究中证实了LHS 1140b缺乏氢。根据他们的气候模型，这就留下了两种可能的情况:这颗行星可能是一颗包裹着水冰的没有空气的岩石，就像木星的卫星木卫二一样;他说，或者，如果它的大气层更厚，并且被二氧化碳加热，那么这些冰可能会被一个温暖舒适的“靶心海洋”打断，这个“靶心海洋”在它面向恒星的一面中间，有大西洋的一半大。
Doyon说，在他的六个潜在宜居世界的候选名单中，LHS 1140b是最有可能保留大气层的。“我们需要用JWST进行更多的观测!”但这将是一个挑战。LHS 1140b在天空中的位置意味着它经常在JWST的视野之外，JWST每年只能看到它四次凌日。Doyon说，要确认该行星的大气层，并确定它是否含有二氧化碳——这是水表面的一个指标，需要进行多达12次的凌日观测。
更令人猜测的是，更接近海王星大小的东西可能在厚厚的富氢大气下孕育生命。其中一个候选行星是K2-18b，它的质量是地球的8.6倍，距离地球124光年。由剑桥大学的Nikku Madhusudhan领导的一个团队研究了哈勃太空望远镜于2019年拍摄的这颗行星的光谱，发现了氢的证据，这是大型气态行星的预期。该团队模拟了在这样的大气下，迷你海王星周围可能存在什么样的气候。他们发现了少数可以存在液态水海洋的解决方案，由于其中等厚度的大气产生的温室效应，温度保持在适当的水平。
该团队去年用JWST对K2-18b进行了另一次观测。在太阳系中，有富氢大气层的行星，比如土星，也含有少量的氨和甲烷。阳光会在高层大气中分解这些化合物，但它们会在低层再生。根据Madhusudhan团队的模型，在K2-18b上，稀薄的大气和水海洋可能会干扰这种循环，尤其是氨的循环。JWST的凌日光谱与预测相符，显示了甲烷和二氧化碳的证据，但没有氨，Madhusudhan说，这是一个迹象，表明水海洋存在。他把K2-18b称为“海洋”(氢和海洋的混合体)世界。他说:“到目前为止，没有其他假设与数据相符。”该团队目前正在研究从其他几个候选海洋世界获取的JWST数据。
并不是每个人都愿意接受宜居海洋世界的想法。吉伦说:“大多数建模者对亚海王星表面是否存在液态水持悲观态度。”温室变暖的程度必须经过精细的调整才能达到温和的条件，因为这些行星周围厚厚的氢大气可以迅速产生失控效应，将表面加热到沸点以上。它们也可能很厚，以至于对光线不透明。“你能有生命吗?”你需要紫外线光子穿过来产生复杂的化学反应。”
更一般地说，克雷德伯格怀疑生命是否会出现在拥有深海的星球上，因为任何分子构成单元都太稀了。“你永远不会遇到”其他复杂的分子，她说。科克尔并没有那么快就否定这些不熟悉的地方有生命存在。他说:“那里不同，但物理和化学条件与我们所知道的地方相似。”“这是一个有待验证的令人兴奋的假设。”
尽管进展缓慢，但那些寻找宜居世界的人还是从JWST在更大、更热的世界上安静而稳定地发现的惊喜中振作起来。它在wasp - 17b的天空中发现了雪花状的石英片。它还发现了超音速风，这种风将热量传递到wasp - 43b上充满云的夜侧。它还在VHS 1256 b的大气中发现了由粉砂和沙子组成的沙砾云。
寻找更冷、更湿润、适合居住的行星肯定也会出现令人惊讶的转折。就在上个月，NASA的凌日系外行星勘测卫星(Transiting Exoplanet Survey Satellite)发现了一颗行星，它可能成为JWST的另一个有希望的目标:一颗地球大小的温带行星，围绕红矮星Gliese 12运行，比TRAPPIST-1离地球更近。克雷德伯格说:“这是我们了解岩石行星的第一步。”“这是一个非同寻常的位置。”古登表示同意。“这是一个非常激动人心的时刻。显然，生活是我们的目标，但我们必须要有耐心。”
