TRAPPIST-1，人类宜居的第二星球？
今年早些时候发现的TRAPPIST-1星系让行星搜寻者和天体生物学家困惑不已。该星系拥有七颗大小与地球类似的岩质行星，其中三颗位于宜居区。虽然这些行星的具体情况还不得而知，但我们很有可能在其中至少一颗上发现生命。如今，有一群科学家表示，该星系的发现将为人类研究地球大小的系外行星的气候打开新的大门。
这些来自欧洲的研究者们建立了一个新的科学模型，能对各类系外行星能否在表面维持液态水进行研究。该模型将陆海比例的影响纳入考虑，甚至还考虑了行星表面可能存在的植被面积。通过这个模型，该研究找出了TRAPPIST星系中最适合居住的那颗行星——TRAPPIST-1d。
“我们能通过简单的模型来分析每颗行星的主要特点。尤其是在所得信息较少的情况下，这种模型更加有用，因为越复杂的模型所需的星球特征信息就越多，”意大利卡拉布里亚大学物理学家，托马索·阿尔贝蒂（Tommaso Alberti）在邮件中这样告诉Seeker网站。
阿尔贝蒂和他的同事们在论文中写道，他们的模型是一个很简单的气候-植物能量平衡模型。他们利用该模型对TRAPPIST-1星系的七颗行星进行了研究，分析以下三大要素将对它们的气候产生多大的影响：星体反照率（即行星将来自恒星的能量反射到太空的比例）、行星表面可能存在的植被面积、以及温室效应。
TRAPPIST-1系统示意图
“该模型能让我们研究在不同情形下，在有或没有温室效应的情况下，行星表面能否维持液态水的存在，”该团队在论文中写道。
要确定某颗特定行星的宜居程度，比确定它是否位于宜居区要复杂得多。有许多其他的要素要考虑在内，我们太阳系的行星就是很好的例子。虽然金星、地球和水星都位于太阳的宜居区内，但现在以人类的标准而言，只有地球是宜居的。金星的大气层太厚，生命无法存活——至少是我们所知的生命。而火星的大气层又太薄，无法将液态水留在行星表层。
而我们知道，在地球上，有水的地方就有生命。但是即便TRAPPIST-1星系的行星大小都如地球一般，其中一些还位于宜居区，但该星系的情况与我们的太阳系依然大相径庭。那里的七颗行星距离中间一颗温度很低的红矮星很近，公转周期只有1.5至20天，而地球的公转周期是365天。由于它们太过靠近恒星，所以都被潮汐锁定了，有一面永远会向着恒星。这就意味着，行星会形成截然不同的正反两面。此外，它们的恒星拥有与太阳不同的波长。TRAPPIST-1颜色更红，波长更长。
所以，两个星系差别这么大，怎么才能弄清楚宜居性这类复杂的问题呢？阿尔贝蒂和他的同事们的解决方法是：让模型尽可能简单。
该团队表示，我们如今所用的详尽气候模型，一大缺点就是对大气和表层状况进行了过多的假设，而这又是不得不为的。所以他们反其道而行，使用了更加简单的零维能量平衡模型，“该模型能通过已知的星系知识来推断行星的气候演变信息。”
零维能量平衡模型曾被用来研究地球的气候。这种模型只需要单个行星的特征。更确切地说，该模型通过设定一个全球平均温度，将整个行星都看作是一个点。
“零维指的是在计算行星接收的恒星辐射（取决于恒星和行星之间的距离）和行星发出的行星辐射（取决于植被和大气构成，因此也取决于反照率和温室效应）之间的能量平衡时，不将经纬度差异考虑在内，”阿尔贝蒂告诉Seeker 网站。
由于将需要做的假设降到最小，该模型更加清晰明了，让研究者能对不同的模型进行比较。研究者们对多种情况进行了研究，从完全贫瘠的岩质行星到与地球类似的行星状态，还对有无温室效应进行了区别研究，以此来探究可能存在的各类气候，并对TRAPPIST-1星系各颗行星的气候进行了对比研究。
“我们为TRAPPIST-1星系设定了多种情况，从贫瘠的岩质行星到类地行星，假设它们拥有相似或不同的温室效应状况，同时强调了植物对特定气候的影响，”阿尔贝蒂说道，“最终，通过确定行星是否位于地表水区，我们发现该区域与该模型的各个参数联系紧密，尤其是植被覆盖率、海洋是否存在、温室效应。”
阿尔贝蒂说，植被会影响行星反照率，这是众所周知的，因此植被也会对温度产生影响。过去的研究曾表示，如果植被覆盖足够广阔，它将影响整个行星的反照率。拥有植被的行星的反照率，比没有植被的行星要小得多。
阿尔贝蒂和他的团队曾利用知名的雏菊世界模型（提出于1983年，该模型假设存在一个要么由白色雏菊覆盖，要么由黑色雏菊覆盖的世界，借以研究日地系统的各个要素），分析一个拥有两种植被条件的能量平衡模型。
“在研究中，我们发现植被和温室效应是影响气温变化的主要因素之一，”阿尔贝蒂表示。此外，陆地和海洋的影响差异也很大，因为海洋的反照率非常小。
该团队表示，他们认为TRAPPIST1星系最靠外的行星（即f、g和h）太过寒冷，无法在地表维持液态水。而三颗更靠内的行星，即b、c、d似乎拥有维持液态水的能力。
然而，如果从与地球相似的角度来看，第四颗行星——TRAPPIST-1d是最为稳定的。“因为它的很多模型指标都很符合宜居标准。”该结果与今年早些时候的一篇论文相悖，该论文使用的是一个更加详尽的三维模型，将许多温室气体都考虑在内，认为TRAPPIST1-e才是最为宜居的行星。阿尔贝蒂的团队表示，根据他们的模型，TRAPPIST1-e只有在温室效应情形不同于地球的的情况下才能维持液态水。
但在他们的论文里，阿尔贝蒂和他的同事们也承认应该对温室效应进行审慎分析，因为它是调节热能平衡的一大主要因素。他们计划对已有的模型进行改良。
“我们正研究一种二维模型，将经纬度差异也考虑在内，”阿尔贝蒂说道，“对于TRAPPIST星系来说，这些方面是至关重要的，因为那里的行星都被潮汐锁定了，这便意味着它们的正面和背面温差会更大。”
我们之所以能通过这样的模型来获得如此之多的系外行星信息，是因为理论上来说，我们可以利用本来用于研究地球的人造卫星研究工具，来确定系外行星是否存在大陆和植被。既然卫星可以通过观察地球的反射光来确定作物的生长和水的分布，那么我们也能通过更加复杂精密的工具，来观察系外行星的光变曲线，从而更加准确地了解它们的表面和大气层。
来源：https://www.seeker.com
责编：钟狼将
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