一颗邻近的类地行星变得更加神秘了

两篇近期发表在《天体物理学杂志通讯》上的科学论文，报告了利用美国国家航空航天局（NASA）詹姆斯·韦伯太空望远镜对TRAPPIST-1系统进行的首批详细观测。这些研究来自一个包括亚利桑那大学月球与行星实验室的苏克里特·兰詹在内的研究团队。作者仔细检查了迄今为止收集的数据，并描述了TRAPPIST-1e的大气和表面可能呈现的几种合理情况。

然而，第三篇论文则呼吁保持谨慎。尽管早期发现令人鼓舞，且代表着在理解最接近地球的潜在类地系外行星之一方面迈出了重要一步，但兰詹认为还需要更有力的证据。他特别呼吁进行更严格的研究，以验证TRAPPIST-1e是否真的拥有大气层，以及韦伯望远镜观测到的甲烷初步迹象是否确实来自该行星，而非其宿主恒星。

### 太阳系附近的紧凑型行星系统
TRAPPIST系统得名于首次发现它的巡天项目——“凌日行星与星子小型望远镜项目”。这个行星家族距离地球约39光年。它可以被看作是我们太阳系的缩小版，因为恒星和所有七颗行星都能舒适地 fit 进水星轨道内。那里的时间流逝非常快：每颗TRAPPIST行星绕恒星公转一周只需短短几天地球时间。

“TRAPPIST-1e的基本论点是：如果它有大气层，那么它就是宜居的，”兰詹说，他是月球与行星实验室的助理教授。“但现在，首要问题必须是‘大气层是否存在？’”

### 韦伯如何寻找大气层
为了研究这个问题，团队使用了詹姆斯·韦伯太空望远镜强大的近红外光谱仪（NIRSpec）。当TRAPPIST-1e发生凌日（即从其宿主恒星前方经过）时，他们将仪器对准TRAPPIST系统。在凌日期间，部分星光会穿过行星周围的大气层，某些波长会被吸收。通过测量这种经过过滤的星光，天文学家可以推断出存在哪些气体。在多次凌日期间重复这一过程，会逐渐清晰地呈现出行星大气化学成分的图景。

在TRAPPIST-1e的四次这样的凌日中，团队观测到了微弱的甲烷迹象。然而，TRAPPIST-1是一颗所谓的M型矮星，大小约为太阳的十分之一，仅比木星稍大一点。由于这类恒星的物理特性与太阳不同，兰詹指出，科学家在解释任何潜在的行星信号时必须特别谨慎。

“太阳是一颗明亮的黄矮星，而TRAPPIST-1是一颗超冷红矮星，这意味着它比太阳小得多、温度低得多、亮度也暗得多，”他解释道。“事实上，它的温度足够低，使其大气中可能存在气体分子。我们报告了甲烷的迹象，但问题是‘甲烷是来自行星大气中的分子，还是来自宿主恒星？’”

### 探索甲烷之谜
为了探讨这个问题，兰詹和他的同事们为TRAPPIST-1e模拟了一系列可能的大气，重点关注富含甲烷的情景。然后，他们根据韦伯的数据计算了每种情况的可能性。在测试的最合理情景中，TRAPPIST-1e最终看起来与土星富含甲烷的卫星土卫六大致相似。即便如此，分析表明这种情景仍然极不可能。

“根据我们最新的研究，我们认为之前报告的大气层初步迹象更有可能是来自宿主恒星的‘噪音’，”兰詹说。“然而，这并不意味着TRAPPIST-1e没有大气层——我们只是需要更多的数据。”

兰詹还强调，尽管詹姆斯·韦伯太空望远镜能力卓越，但它的设计初衷并非以小型地球大小的系外行星为主要目标。

“它的设计早在我们知道这类行星存在之前就已完成，我们很幸运它竟然能够研究它们，”他说。“在所有存在的地球大小的行星中，只有少数几颗有可能让它测量到任何详细的大气成分。”

### 即将到来的新任务和技术
未来的观测可能有助于解决这些不确定性。一项很有前景的工作是NASA的潘多拉任务，这是一颗正在研发的小型卫星，计划于2026年初发射。该任务由亚利桑那大学斯图尔德天文台的天文学和行星科学教授丹尼尔·阿派领导，专门用于研究系外行星大气及其宿主恒星。该航天器将在行星凌日之前、期间和之后追踪那些拥有潜在宜居行星的恒星，提高科学家区分恒星效应和真实大气信号的能力。

同时，TRAPPIST-1e研究团队正在开展一项更大规模的观测计划，并应用新的分析方法，可能最终澄清这颗行星是否有大气层。一种关键方法被称为双凌日。在这种方法中，当天文学家观测到TRAPPIST-1e和TRAPPIST-1b（该系统最内侧且没有大气的行星）同时从恒星前方经过时，对恒星进行观测。

“这些观测将使我们能够区分恒星的活动和行星大气中发生的情况——如果它有大气的话，”兰詹说。