[비즈한국] TRAPPIST-1 行星系自被發現以來就備受關注。事實上，其中心恆星是一顆質量僅為太陽9%的輕型矮星，表面溫度僅為2500攝氏度。然而，它之所以受到極大關注，是因為在其周圍一次性發現了多達七顆行星。
這些行星從內向外依次被命名為 TRAPPIST-1 b、c、d、e、f、g 和 h。其中，d、e、f、g 這四顆行星與中心恆星保持著適中的距離，其軌道處於表面可能存在液態水海洋的範圍內。由於一個恆星系統內竟有四顆行星位於生命宜居帶，這裡被視為尋找外星生命跡象的有力候選地。
但是，生命的存在還需要更多好運。行星必須覆蓋有足夠厚的大氣層，因為如果沒有大氣，任何生物都無法在上面呼吸。
由於長期受到關注，TRAPPIST-1 是詹姆斯·韋布空間望遠鏡觀測次數最多的目標之一。去年，有關該系統內側軌道行星 b 和 c 的觀測結果率先公佈。遺憾的是，根據觀測結果，並未在這兩顆行星上確認存在濃厚的大氣層，推測它們可能完全沒有大氣，或者僅有非常稀薄的大氣。
不過，現在就感到失望還為時過早。b 和 c 兩顆行星本就離中心恆星太近，此前並未對它們存在生命抱有太大期待，外側的行星才更為關鍵。
檢視向所有人公開的詹姆斯·韋布空間望遠鏡觀測日程表可以發現，天文學家早在很久以前就完成了對 TRAPPIST-1 行星的觀測。然而，至今尚未釋出具體的分析結果。難道是在隱瞞什麼嗎？
TRAPPIST-1 是一顆比太陽小得多且暗淡的紅矮星。事實上，關於紅矮星周圍是否具備孕育生命的條件，目前學術界仍存在激烈的爭論。若簡單思考，只要距離恆星保持適當距離，溫度既不過熱也不過冷，理論上是可以存在生命的。但情況並非如此簡單。
尤其是紅矮星相當複雜。在氣體雲聚合並剛剛開始發光的初期階段，紅矮星可能會對其周圍產生致命影響。由於恆星本身太小，內部會發生劇烈的物質對流，從而在周圍形成強大的磁場。大量等離子體形態的物質被磁場吸引並向上湧動，沿著圍繞恆星錯綜複雜的磁場線向外流出。當磁力線束糾纏並斷裂的瞬間，被拉出的物質會以極快速度噴射至宇宙空間，引發強烈的耀斑。
特別是紅矮星本身光度較暗，為了獲得足夠的溫度，行星必須緊貼恆星執行。這意味著恆星周圍形成的宜居帶（Goldilocks Zone）範圍非常狹窄。因此，與大恆星相比，小恆星周圍的行星反而更容易暴露在耀斑威脅之下。
傾瀉而下的恆星耀斑可能會剝離行星的大氣層。不僅是氫和氦等輕分子，就連二氧化碳、氧氣、氮氣等更重的分子也可能被移除。例如，對於像地球這樣被相對稀薄大氣包圍的岩石行星，紅矮星噴發出的強大耀斑實際上足以將整個大氣層剝離殆盡。
如果行星想要抵禦這種威脅並維持大氣層，就必須具備足夠強大的自身磁場保護罩。事實上，火星雖然比地球距離太陽更遠，但正是因為缺乏磁場保護，推測其久遠以前存在的海洋和大氣早已消失殆盡。
在紅矮星周圍難以生存的不僅僅是岩石行星，像木星那樣的巨大氣態行星也同樣面臨危險。特別是主要由輕質氣體構成的氣態行星大氣層，很難在恆星的耀斑攻擊下倖免。隨著外部大氣層被逐漸剝離，行星本身的體積可能會變小。
一個有趣的現象是，目前發現的外星行星中，有相當多是緊貼中心恆星執行的巨大氣態行星。這類行星被稱為“熱木星”。在我們太陽系中，這類行星一顆也沒有，太陽系中的巨大氣態行星全部位於外圍。
隨著太陽系外行星的發現，熱木星的存在仍是一個未完全解開的謎團。它們可能誕生於遠離恆星的外圍，但後來透過與其他行星的引力相互作用改變了軌道，從而靠近了恆星。這被稱為“行星遷徙”。即便如此，它們為何能長時間保持濃厚的大氣層仍難以解釋。
去年，天文學家透過詹姆斯·韋布的觀測，確認了 TRAPPIST-1 最內側兩顆行星 b 和 c 是否存在大氣層。確認行星大氣最傳統的方法是利用“凌日法”，即行星從恆星前方穿過。如果行星有大氣，當它經過恆星前方時，我們可以觀察到穿過大氣層的星光，此過程中部分星光會被大氣成分吸收。透過與未經過行星大氣的星光光譜進行對比，就能知道大氣中含有哪些成分。但如果大氣太薄，這種方法也很難奏效，因為星光穿過稀薄大氣的機率太低。
詹姆斯·韋布空間望遠鏡比哈勃望遠鏡靈敏得多。得益於此，天文學家在上次觀測中採用了某種特殊方法：不僅觀測行星經過恆星前方的瞬間，還觀測行星轉到背對恆星一側、恆星光照射在行星表面的瞬間。如果行星有大氣層，大氣迴圈會使得行星的晝夜溫差減小。背對恆星的夜半球與面向恆星的晝半球之間溫度差異不會太大。相反，如果沒有大氣，晝夜溫差將極為劇烈。遺憾的是，根據上次的觀測，TRAPPIST-1 b 和 c 兩顆行星表現出了極端的晝夜溫差，看來這兩顆行星連稀薄的大氣層都沒有。
但真正的主角另有其人。這兩顆行星本身軌道太小，溫度極高，本來就不太可能存在生命。但 d、e、f、g 四顆行星則位於宜居帶內。
最近，天文學家針對 TRAPPIST-1e 行星假設了多種環境並進行了分析。這是一顆與地球相似的岩石行星。同樣地，它在經歷小行星撞擊並形成後，表面曾滿是沸騰的熔岩。在熔岩冷卻的過程中，它會持續從中心恆星接收紫外線、可見光和紅外線等各種形式的光。這種地質環境與星光的複合影響會改變行星大氣的總量及化學成分。天文學家模擬了在這些不同條件下，行星表面溫度和大氣壓可能發生的變化。
首先，假設 TRAPPIST-1e 最初擁有與地球當前相似的大氣層，結果顯示在行星形成數億年後，它依然能夠維持大氣。在表面液態熔岩完全凝固形成固體外殼後，大氣的主要成分將是二氧化碳，並殘留部分氧氣和水分子。由於保持著大氣，溫室效應會使行星表面持續保持溫暖。如果該行星的大氣成分從一開始就與地球相似，即便受到紅矮星的耀斑威脅，依然可以維持大氣層。
TRAPPIST-1e 也有可能擁有像天王星、海王星那樣由厚氫氣組成的大氣層。有趣的是，在這種情況下，表面從沸騰熔岩冷卻為堅硬岩石所需的時間更長。在行星凝固過程中，大量氫氣逃逸至宇宙空間，而較重的分子如水、二氧化碳和氧氣則留下來成為大氣的主要成分。根據該模型，行星可以維持適合生命生存的大氣組成，表面溫度也會降至適宜生命生存的水平。這是非常令人鼓舞的結果。即使 TRAPPIST-1e 起初的大氣組成與地球不同，而是以像天王星、海王星那樣濃厚的氫氣大氣開始，透過地質過程和中心恆星輻射的綜合影響，依然能創造出適合生命生存的環境。
相比之下，距離中心恆星近得多的 TRAPPIST-1b 的分析結果則很黯淡。同樣假設起初擁有濃厚的氫大氣，由於恆星散發出的過強恆星風和輻射，大部分大氣層會被吹入宇宙空間，僅殘留極薄、稀疏的氧氣大氣層。因為幾乎沒有其他成分，這種僅由氧氣組成的稀薄大氣層並不適合生命生存。最終，靠近恆星的 TRAPPIST-1b 行星在任何情景下都很難形成能期待生命存在的大氣層。
相比之下，TRAPPIST-1e 的前景要樂觀得多。無論大氣組成起初與地球相似，還是與天王星、海王星相似，目前依然有很大可能具備孕育生命的條件。
事實上，詹姆斯·韋布空間望遠鏡已經對 TRAPPIST-1e 進行過觀測。但在觀測確認其是否存在大氣層時，中心恆星偏偏發生了劇烈的耀斑。耀斑的強光突然掩蓋了行星發出的微弱光芒，導致無法區分耀斑光和行星表面反射的星光。因此，一些天文學家推測，TRAPPIST-1d 或 f 行星的分析結果可能會比 TRAPPIST-1e 更早公佈。
TRAPPIST-1 因為一次性發現了七顆行星，且其中四顆位於宜居帶內，長期以來一直備受期待。如果連這樣的地方都找不到任何生命跡象，那將是非常令人沮喪的。
透過觀測行星不僅在凌日時，還包括執行到背面時反射星光的瞬間，從而分析大氣存在與否及化學成分，這是一種此次首次嘗試的觀測方式。此前對 TRAPPIST-1 周圍行星的觀測，實際上只是基於一兩次觀測嘗試所得出的少量資料。最終，為了做出更精確、更明確的判斷，唯一的方法就是更長時間、更頻繁地觀測 TRAPPIST-1 周圍的行星。
TRAPPIST-1 雖然是一個極具魅力的觀測物件，但詹姆斯·韋布空間望遠鏡並非只為這一個外星行星系而存在。從太陽系天體到無數恆星和星系，排隊的觀測日程實在太多了。在繁忙的日程中，能再次分配多少時間給 TRAPPIST-1 行星，將決定我們未來的期待與結論。
參考
https://academic.oup.com/mnras/article/531/1/468/7659831
作者 Ji Ung-bae 是誰？他熱愛貓與宇宙。從小在看了《銀河鐵道999》後，便立志要向世人傳播宇宙之美。目前在延世大學銀河進化研究中心及近宇宙論研究室，研究透過銀河相互作用進行的進化，並開展講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天思考宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科學）等書籍。