NASA發(fā)現(xiàn)可宜居行星有哪些？發(fā)現(xiàn)宜居的地球大小行星

如果說人類尋找新能源是為地球的未來提供更多選擇，那么在宇宙中尋找下一個“地球”，或許就是給人類的未來提供備選出路，

美國國家航空航天局（NASA）宣布，其凌星系外行星巡天衛(wèi)星，也是被譽為“行星獵人” 的 TESS （Transiting Exoplanet Survey Satellite）在其觀測的恒星宜居帶區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了第一顆與地球大小相當?shù)男行?，并推測其星球表面可能存有液態(tài)水。

隨后，科學家使用 NASA 的斯皮策太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）確認了這個被命名為 “TOI 700d” 的發(fā)現(xiàn)，并且對該行星的潛在環(huán)境進行了建模，以便在將來的觀測中提供更多參考依據(jù)。

TOI 700d 是人類迄今為止在恒星的宜居帶（指一顆恒星周圍可能存在液態(tài)水的區(qū)域）中發(fā)現(xiàn)的，僅有的少數(shù)幾個地球大小的行星之一。其他還包括距離地球約 39.13 光年的 TRAPPIST-1 系統(tǒng)中的幾顆行星，以及 NASA 開普勒太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)的少數(shù)行星。

NASA 噴氣推進實驗室于美國時間 1 月 6 日在檀香山舉行的美國天文學會第 235 次年會上，正式對外宣布 TOI 700d 的發(fā)現(xiàn)。隨后，NASA 在其官網(wǎng)也發(fā)表了這項發(fā)現(xiàn)，并將相關細節(jié)做成視頻（大小約 8MB）。

“行星獵人”TESS 與 Spitzer 太空望遠鏡的功勞

TESS 是 NASA “探索者計劃”的太空望遠鏡之一，其核心成像載荷由麻省理工學院設計并建造，在 2018 年 4 月發(fā)射升空之后就開始了它的行星搜尋之旅。

TESS 采用凌日法（利用行星對恒星光源的遮擋）來探測系外行星，它長時間地注視著天空，尋找由我們與恒星之間繞行的行星所引起的微弱的、有規(guī)律的星光下降（即凌日）；同時，從恒星變暗的程度也能推測出行星相對于恒星的大小。

“ TESS 的設計和發(fā)射是專門為尋找繞恒星附近運行的、地球大小的行星而設計的?！?在華盛頓 NASA 總部的天體物理學部門主管 Paul Hertz 說，“恒星附近的行星最容易被太空和地球上的大型望遠鏡跟蹤，而找到 TOI 700d 是 TESS 的一項關鍵科學發(fā)現(xiàn)。用 Spitzer 太空望遠鏡確認了行星的大小和可居住區(qū)狀態(tài)也是 Spitzer 今年一月科學操作的又一個勝利。”

“行星獵手” TESS 的單次工作會持續(xù)監(jiān)視一大片天空 27 天，其觀測范圍被稱為“扇區(qū)”。這種長時間地凝視有助于人們通過衛(wèi)星來跟蹤行星的過境行為——由于行星在其環(huán)繞的恒星前橫越軌道而引起的亮度變化。

圖 | 距地球 100 光年之外的 TOI 700d（來源：NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite）

高中生來挑錯

TOI 700d 環(huán)繞的恒星 TOI 700 位于多拉多星座南部，是一顆小且冷的 M 矮星，距我們只有 100 光年。整體來看，它大概是太陽質量和大小的 2/5，其表面溫度是太陽表面溫度的一半。

這顆恒星在最早被發(fā)現(xiàn)之時，被 NASA 的科學家認為和太陽更相似，并錯誤地將其在 TESS 數(shù)據(jù)庫中被歸類為“近似于太陽”，而這個錯誤意味著這些行星看上去比實際要更大、更熱。

但與 TESS 小組成員一起工作的一名高中生 Alton Spencer 在和幾位研究人員操作時，發(fā)現(xiàn)了這個錯誤。

芝加哥大學的研究生 Emily Gilbert 表示：“當我們修正了恒星 TOI 700 的參數(shù)之后，其尺寸減小了，這讓我們意識到最外層行星的尺寸大概和地球尺寸相同，并且位于宜居區(qū)域。除此之外，在 11 個月觀測數(shù)據(jù)中，我們都沒有看到恒星產(chǎn)生耀斑，這大大增加了 TOI 700d 適宜人類居住的機會，并使我們對大氣和地面狀況的建模變得更加容易。”

Emily Gilbert 和其他研究人員在美國天文學會的第 235 次會議上介紹了這些發(fā)現(xiàn)，而關于該發(fā)現(xiàn)的三篇論文（其中一篇的第一作者就是 Emily）已提交給科學期刊。

圖 | 基于一個覆蓋著海洋的星球的幾個模擬環(huán)境而設計的 TOI 700d 插圖（來源：NASA's Goddard Space Flight Center）

這顆可能適合人類居住的 TOI 700d 是圍繞著恒星 TOI 700 的三顆行星之一 ，其與恒星 TOI 700 的距離剛好在可能存有液態(tài)水的宜居范圍之內(nèi)，而另外兩顆被命名為 “TOI 700b” 和“TOI 700c”的行星則距離恒星太近。

最內(nèi)側的行星 TOI 700b，大小也幾乎與地球一樣，可能由巖石組成，每 10 天完成一次軌道環(huán)繞。而 TOI 700c 是一顆中行星，每 16 天繞軌道運行一圈，是地球大小的 2.6 倍，介于地球和海王星的大小之間，可能是一個充滿天然氣的世界。

而 TOI 700d 是該恒星系統(tǒng)宜居帶中唯一的一顆行星，其測量大小比地球大 20％，每 37 天繞軌道運行一周，并且能從恒星 TOI 700 處吸收到能量（差不多是地球接收太陽能量的 86％）。這顆行星被認為具有潮汐鎖定能力，這意味著它的一側總是處于白天。

這項天文發(fā)現(xiàn)的意義

位于馬薩諸塞州劍橋市的哈佛史密森尼天體物理中心的天文學家 Joseph Rodriguez 領導的一組科學家要求使用斯皮策太空望遠鏡（Spitzer）進行后續(xù)觀測以確認 TOI 700d。

Rodriguez 說：“鑒于這項發(fā)現(xiàn)是 TESS 找到的第一個位于宜居帶且地球大小的星球，我們希望能對這個系統(tǒng)的理解盡可能具體。Spitzer 完全根據(jù)我們的預期看到了 TOI 700d 的過境，這是對尋找人類宜居星球任務傳承的極大補充?！?/p>

Spitzer 太空望遠鏡的數(shù)據(jù)提高了科學家對 TOI 700d 是真實行星的信心，并進一步精確了對軌道周期和尺寸的測量數(shù)據(jù)。它還排除了在傳輸信號時其他可能的天體物理學原因，例如系統(tǒng)中存有較小、較暗的伴星等情況。

圖 | Spitzer 太空望遠鏡（來源：NASA）

由于恒星 TOI 700 比較明亮，并且周圍沒有星狀耀斑的跡象產(chǎn)生，因此該系統(tǒng)是當前地面觀測站進行精確質量測量的首選。這些測量結果可以證實科學家的估計，即內(nèi)行星和外行星都是巖石的，而中行星是由氣體構成的。

未來的任務也許能夠確定 TOI 700d 行星中是否存有大氣，如果有的話甚至還可以確定大氣的組成成分。

盡管 TOI 700d 的各種細節(jié)尚不清楚，需要天文學家進一步去確認。但科學家已經(jīng)可以利用當前的信息（例如行星的大小與圍繞恒星的類型等）來生成計算機模型并進行模擬預測。NASA 戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的研究人員對 TOI 700d 的 20 種潛在環(huán)境進行了建模，以評估是否有任何情況會導致表面溫度和壓力適于居住。

他們的 3D 氣候模型檢查了科學家通常認為的，與潛在可居住世界相關的各種地表類型和大氣成分。據(jù)推測，該行星的云層和風的類型可能與地球截然不同。

此外，當星光穿過行星的大氣層時，它會與二氧化碳和氮等分子相互作用，產(chǎn)生獨特的信號——光譜線。由大學空間研究協(xié)會的訪問學者 Gabrielle Englemann-Suissa 領導的建模團隊為 TOI 700d 的 20 個建模版本生成了模擬光譜。

“總有一天，當人們得到來自 TOI 700d 的真實光譜時，我們可以回溯，并將其與最接近的模擬光譜相匹配，進而找到與之相對應的模型?！?Englemann-Suissa 說，“這是十分令人興奮的，因為無論我們從這顆可能宜居的行星上了解到什么，它看起來都將與地球上的東西完全不同?！?/p>