[비즈한국] TRAPPIST-1 是最受關注的系外行星系統之一。2017 年，天文學家在這裡發現了多達七顆行星。這相當於我們太陽系擁有八顆行星的水平。如此多行星環繞一顆恆星的景象，曾讓人滿懷希望，認為宇宙中存在更多這樣的多行星系統。而且，這七顆行星全都是與地球類似的岩石行星。
更令人驚歎的是，其中竟有四顆行星位於可能存在生命的宜居帶（Goldilocks zone）。TRAPPIST-1d 處於宜居帶的最內側邊緣，e 和 f 位於中間，而 g 則位於宜居帶的最外側邊緣。如果運氣好的話，這本應是一個能同時發現多個存在生命之系外行星的寶地。隨著詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）升空，它對 TRAPPIST-1 行星進行了大量觀測。畢竟，生命要存活，就必須像地球一樣有大氣層覆蓋。
此前，關於最內側的兩顆行星 b 和 c，已經發布了令人絕望的結果，即沒有發現大氣的存在。b 行星看起來像水星一樣幾乎沒有大氣，而 c 行星也只確認了可能存在極其稀薄大氣的模糊資料。然而，對於位於宜居帶的其他四顆行星，卻始終未能進行深入分析。在韋布望遠鏡觀測期間，偏偏爆發了強烈的耀斑，導致資料分析花費了更長的時間。
直到現在，萬眾期待的 TRAPPIST-1d 行星的觀測分析結果終於公佈了。結果究竟如何呢？正如大家所願，TRAPPIST-1 宜居帶內的行星真的存在大氣層嗎？
TRAPPIST-1 的行星是透過“凌日法”被發現的，即當行星從中心恆星前方經過時，星光會變暗。七顆行星以各自不同的週期同時經過恆星前方，中心恆星的亮度呈現出相當複雜的變暗模式。透過對該模式的仔細分析，科學家們最終確定了行星的總數及其各自的公轉週期。
如果能利用好系外行星與中心恆星在一條直線上的“凌日”現象，就能推斷出大氣層的存在與否。2018 年，天文學家曾嘗試透過哈勃空間望遠鏡的觀測來確認這裡的大氣層。但哈勃與韋布不同，它主要進行可見光觀測，且鏡片尺寸較小，因此難以進行精密的大氣觀測。以哈勃的效能，要確認大氣層，至少需要像天王星、海王星那樣擁有厚重大氣層的巨大氣態行星才行。如果是大氣稀薄的岩石行星，僅憑哈勃的觀測很難判斷是否存在大氣層。
在 2018 年的哈勃觀測中，天文學家判定至少 d、e、f 行星根本沒有厚重的氫大氣層。不過，對於位於宜居帶最外側的 g 行星，雖然存在不確定性，但曾懷疑過可能存在大氣。此外，還有觀點提出 g 行星可能不是岩石行星，而是像“迷你海王星”那樣的小型氣態行星。
重點在於，科學家並未斷言 d、e、f 行星“絕對不可能存在大氣層”。核心結論是，它們似乎沒有像木星那樣厚重的大氣層。乍看之下，沒能找到大氣層似乎是個絕望的結論，但其實未必。這反而可能是一個充滿希望的結論。這些行星被懷疑是像地球一樣的岩石行星，如果是這樣，那麼它們可能擁有像地球一樣稀薄的大氣層。
為了確認稀薄的大氣層，就需要韋布望遠鏡。特別是韋布望遠鏡因能夠觀測紅外波段，更有利於識別水和二氧化碳等與地球生命直接相關的成分。韋布望遠鏡瞄準了 TRAPPIST-1d 行星從中心恆星前方經過的瞬間。該行星與中心恆星的距離僅為日地距離的 2%，但由於中心恆星本身非常矮小，照射到行星上的星光與太陽照射到地球的光強度相當。
如果 TRAPPIST-1d 行星擁有蘊含多種化學成分的大氣層，那麼在行星遮擋恆星的過程中，恆星的光譜中應該會留下因化學成分吸收而產生的缺失痕跡。然而，此次觀測到的光譜相當平坦。因化學成分導致的吸收現象微乎其微。天文學家假設了甲烷、二氧化碳、水等多種化學成分，尋找最能解釋實際觀測光譜的情況。但無論是甲烷、一氧化碳、水、二氧化碳還是二氧化硫，都沒有表現出明顯的訊號。在最初分析時，氨成分似乎表現出了有意義的訊號，但後續分析得出的結論是，這並非實際的大氣成分，而是一種錯覺，是由行星凌日過程中中心恆星自身不穩定波動引起的亮度變化所致。
此次分析結果留下了兩個引人注目的可能性。第一，該行星確實存在高密度、低空分佈的稀薄大氣層。這與火星類似。這種假設最能解釋觀測資料。第二種可能性是，像金星一樣，高空覆蓋著濃厚的雲層，遮擋了大氣成分產生的光譜吸收痕跡。雖然這種可能性相對較低，但也不能完全排除。我們曾希望這顆行星像地球，但實際上它更有可能是像火星或金星一樣的世界。當然，這兩個世界都不適合我們居住。遺憾的是，那些對 TRAPPIST-1 仍抱有幻想的天文學家們再次感到了絕望。
此次發現對天文學家來說尤為苦澀是有原因的。TRAPPIST-1 恆星是比太陽小得多的紅矮星。而這類恆星在宇宙中是最常見的。與像我們太陽一樣的恆星相比，更小、更暗的紅矮星要普遍得多。實際上，迄今為止發現的大多數系外行星也都圍繞著這樣的紅矮星。然而，這次的發現指向了一個絕望的結論：生命可能根本無法在紅矮星周圍存活。我們或許不得不放棄迄今為止發現的絕大多數圍繞紅矮星旋轉的系外行星。
由於紅矮星體積較小，星體內外的對流非常劇烈。在此過程中，帶電粒子在恆星表面外圍劇烈波動，恆星表面的磁場變得錯綜複雜。物質沿著磁場迅速噴出，導致恆星爆發能量並向宇宙空間噴射耀斑。隨著耀斑席捲周圍行星，行星殘存的大氣層會被不斷剝離，最終行星將無法長時間保留大氣層。中心恆星傾瀉而出的恆星風會直接照射在行星表面，帶來巨大的宇宙輻射，任何生命都無法倖存。特別是此次被韋布望遠鏡觀測的 d 行星，處於宜居帶的最內側邊緣，距離中心恆星最近，因此也是最容易受到恆星風影響的行星。
那麼，對於距離稍遠一點的 e、f、g 行星，可以期待嗎？當然，因為距離中心恆星稍遠，它們有可能依然保留著大氣層。但是，距離中心恆星越遠，觀測難度就越大。由於行星圍繞恆星執行的週期變長，一旦錯過一次凌日，就需要等待更長的時間才能迎來下一次。此外，由於距離較遠，穿過行星大氣層的星光強度也會變弱，因此捕捉光譜也更加困難。要收集不足的光線，需要比韋布望遠鏡更大的望遠鏡，但目前還做不到。所以，不能只觀測一次，必須多次觀測以累積全部資料，從而將微弱的訊號放大。因此，越往 e、f、g 行星去，獲取可供分析的資料所需的等待時間就越長，也必須爭取到更多的韋布望遠鏡觀測時間。
面對現實的侷限性，天文學家們開始提出更本質的問題：憑現有的觀測技術，真的能確認我們要尋找的系外生命的確鑿證據嗎？我們至今主要在尋找被推測為類似地球的環境。所謂類似地球，最終是指一顆小型岩石行星，覆蓋著不像木星那樣厚重的、稀薄得多的大氣層的世界。然而令人困擾的是，以我們目前的技術，只有在覆蓋著像木星那樣厚重大氣層的情況下才能確認大氣層的存在。對於像地球那樣覆蓋著稀薄大氣的環境，憑我們目前的觀測技術還很難下定論。
宇宙中最常見的恆星便是紅矮星，難道現在要徹底放棄對紅矮星周圍系外行星的希望嗎？那個曾因充滿無數生命而顯得嘈雜的夜空，似乎突然變得寂靜無聲了。
參考
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52642-6
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adf207
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adf62e
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adf42e
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06232-z
作者池雄培（音譯）是誰？他熱愛貓咪和宇宙。童年時看過《銀河鐵道999》後，便立志要向世人傳播宇宙之美。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，積極從事演講和寫作等各類科學傳播活動。著有《每天一片宇宙》、《星光熠熠的宇宙科學家們》、《雖無法觸及但可知曉》、《看到宇宙就會想到的奇怪問題》等書，並翻譯了《給真正航行在宇宙中的搭車客指南》、《我為何殺了冥王星》、《量子生活》、《宇宙圖形》等著作。