科学家们是如何找寻另一个太阳系的?

我们想像过,月球上有嫦娥,火星上有火星人。希望落空后,天体物理学家把焦点放在太阳系外行星(Exoplanets),研究这些行星是否位于适居带(Habitable zone)?有没有可孕育生命的液态水?

凌日法(Transit photometry)是天体物理学家寻找太阳系外行星的其中一种方法。当行星横越恒星的盘面时,恒星的亮度就会稍为降低,横越的行星愈大,恒星亮度降低的比率就愈高。

以往,科学家以大型天文望远镜,例如是智利的超大望远镜(Very Large Telescope, VLT),观察跟太阳相若的恒星的光度变化,从而找到了一些如木星般大的气体行星,但小如地球的行星就较难被发现,因为它造成的亮度降低只有前者的一百分之一。就好像一只小飞蛾在耀眼的车头灯前飞过,会难以被察觉;但当这只小飞蛾在单车灯前飞过,便易于发现了。

科学家米夏埃尔·吉隆(Micha?l Gillon)改变了策略,决定在比太阳小和暗的红矮星(Red Dwarf)上实践凌日法。因着行星的横越会较大程度降低红矮星的亮度,他使用小型的天文望远镜便足以进行研究。他运用了位于VLT以南500英哩的凌星行星及原行星小望远镜(TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope,TRAPPIST),逐颗研究红矮星的亮度。

2015年9月16日,就是智利发生8.3级大地震并引发海啸的当晚,团队在确定望远镜没损坏后,把握日出前的三小时,进行观察,终于迎来了激动人心的重大发现。吉隆当时身处比利时,透过电脑分析TRAPPIST的数据,他赫然发现观察到非常清晰的凌日现象,系统里还有着超过一个行星!他兴奋得立时把数据展示给女儿看,可惜她竟然漠不关心!这个距离我们仅四十光年的系统后来被命名为TRAPPIST-1。

这个新发现让全球的大型望远镜一起加入观察的行列,希望准确断定TRAPPIST-1系统里的行星数量。可是,因着各种大气的干扰,科学家们对于系统里有四个、五个、六个、还是七个行星仍然不能确定。最后要出动史匹哲太空望远镜 (Spitzer Space Telescope),观察TRAPPIST-1的红外线讯号长达二十个昼夜,才知道TRAPPIST-1足足有七颗行星!

这七颗行星,按照跟恒星(红矮星)的距离,由近至远被命名为TRAPPIST-1b至TRAPPIST-1h。行星之间的距离相当近,跟恒星的距离也近,尤其是TRAPPIST-1b和1c。两颗行星都被恒星的引力锁定了,永远都是同一面朝着恒星,就像是月球被地球锁定一般。TRAPPIST-1b的表面温度相当高,平均摄氏130度。这除了是源于阳光的近距离照射,还跟恒星的强劲磁场有关。这颗红矮星产生的磁场比太阳高几百倍,再加上与TRAPPIST-1b的距离比太阳跟地球的近很多,以致磁场会把行星内部的金属熔化,岩浆会在行星地下流动,不时造成火山爆发。

至于TRAPPIST-1d跟1e,它们从恒星接受的能量跟地球从太阳接受的差不多,两颗行星都处于适居带,表面温度容许液态水的存在。从史匹哲太空望远镜获得的行星大小和质量数据,可以让科学家计算行星的密度。他们发现,TRAPPIST-1d是密度最低的一颗,可能有着比地球多250倍的海洋。TRAPPIST-1e则有着跟地球相若的密度,可能有着陆地和海洋。

TRAPPIST-1f至1h的低密度也容许了水的存在,但它们距离恒星远一些,接受的能量少一些,那水是不是只会以坚硬冰块的姿态呈现呢?那又不一定!我们还要钻研行星是否有大气层。科学家可以运用数据模拟行星的大气状态,然后以实验观察激光光如何被大气反射,从而推算行星的表面温度。惟有TRAPPIST-1f在合适的大气环境,并配合着温室气体和云层,才有机会保存热能,让星球表面出现液态水。至于TRAPPIST-1g和1h,即使它们有着适当的大气,也不会有足够的能量把水融掉。

这样看来,TRAPPIST-1系统里有三颗行星存在着液态水的可能,那行星上真的有生命吗?有科学家比较悲观,原因是这系统的七颗行星距离很近,互相之间的引力影响会容易让它们产生碰撞,从而摧毁系统,电脑模拟行星的轨迹也支持这个结论。生命的演化要有可能,必须要有一个相对稳定的环境,而TRAPPIST-1似乎欠奉。

但天体物理学家兼音乐家Matt Russo则提出另一番见解。他研究七颗行星的公转周期,发现它们呈现一个和谐的规律,当最外头的TRAPPIST-1h围绕恒星公转两次,TRAPPIST-1g就公转三次,TRAPPIST-1f则为四次,TRAPPIST-1e就是六次,TRAPPIST-1d九次,TRAPPIST-1c十五次,最里头的TRAPPIST-1b则为二十四次。这就好像是管弦乐团一般,他甚至能把行星的运行规律写成了一篇管弦乐章,还进行了表演!

他认为,当行星一边运转,一边就会和行星邻居互相微调轨道,有时能慢慢锁定在一个稳定的状态,保持着完美的平衡。科学家再发现,TRAPPIST-1系统已经有着超过70亿年的历史,比太阳系还要古老。在时间的长河里,孕育出生命似乎不无可能吧!

但是,又有科学家指出,红矮星的太阳风暴远比太阳的来得频密和激烈,再加上行星距离恒星很近,高能量的紫外线会不断破坏遗传物质的结构,生命的出现又成泡影……不过,又有科学家在地球的海洋生物上找到一个机制,足以抗衡紫外线的破坏!那就是生长在热带浅水处的珊瑚,它们不能透过逃走来避开紫外线的照射,但它们的身体表面有着荧光蛋白,能够立时把高能量的紫外线转化为低能量的可见光,四両拨千斤地化解危机。

TRAPPIST-1d、1e和1f是否也有演化出类似机制的生命,暂时还是未知之数。让我们一同拭目以待,看看未来的望远镜能否探测到行星在受太阳风暴影响之时,闪耀出灿烂的萤光!