在圍繞紅矮星 TRAPPIST-1 運行的七顆地球大小的行星中，有一顆行星已成為天文學家特別關注的焦點。這顆行星 TRAPPIST-1e 在恆星的“宜居帶”內運行——該區域的溫度允許液態水存在於表面——但該行星有一個大氣層來幫助調節這些條件。哪裡有液態水存在，哪裡就有生命存在的可能性。
最近的兩篇科學論文報告了美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡對 TRAPPIST-1 系統的首次詳細觀測。這些研究發表在期刊上 天體物理學期刊通訊他們來自一個研究小組，其中包括亞利桑那大學月球與行星實驗室的蘇克里特·蘭詹 (Sukrit Ranjan)。作者仔細分析了迄今為止收集到的數據，並描述了 TRAPPIST-1e 的大氣和表面可能是什麼樣子的幾種可能的可能性。
然而，第三封信需要保留。雖然早期的發現令人鼓舞，並且代表著了解最接近的系外行星之一的重要一步，但蘭詹表示，還需要更多可靠的證據。特別是，它需要更嚴格的測試來確定 TRAPPIST-1e 是否真的有大氣層，以及詹姆斯·韋伯偶爾看到的甲烷跡像是否實際上來自該行星而不是其宿主恆星。
離家很近的緻密行星系統
TRAPPIST 系統的名字來源於首次發現它的調查：“凌日行星和星子小型望遠鏡項目”。這個行星家族距離地球 39 光年。它可以被認為是我們太陽系的較小版本，因為這顆恆星和七顆行星可以輕鬆地位於水星的軌道內。那裡的歲月過得很快：每顆特拉普行星在幾個地球日內就完成了繞恆星的軌道。
“TRAPPIST-1e 的基本論點是，如果它有大氣層，它就適合居住，”LPL 助理教授 Ranjan 說。 “但現在，首要問題必須是，‘大氣層存在嗎？’”
韋伯如何尋求氛圍
為了研究這個問題，該團隊使用了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡強大的近紅外光譜儀（NIRSpec）。當 TRAPPIST-1e 從其主星前方經過時，該儀器瞄準了 TRAPPIST 系統。沿著一條路徑，一些星光穿過行星周圍的任何大氣層，並且某些波長被吸收。通過測量經過過濾的星光，天文學家可以推斷出存在哪些氣體。在幾次凌日中重複這個過程，逐漸使地球大氣化學的圖景更加清晰。
在 TRAPPIST-1e 的四次飛越過程中，研究小組看到了微弱的甲烷跡象。然而，TRAPPIST-1是一顆所謂的M矮星，大小只有太陽的十分之一，比木星稍大。蘭詹說，由於這種類型的恆星與我們的太陽具有不同的物理特性，科學家在解釋來自行星的潛在信號時需要特別謹慎。
“雖然太陽是一顆明亮的黃矮星，但 TRAPPIST-1 是一顆超冷紅矮星，這意味著它比我們的太陽更小、更冷、更暗，”他解釋道。 “事實上，溫度足夠低，足以讓氣體分子進入大氣層。我們報告了甲烷的跡象，但問題是，‘甲烷是來自行星大氣層中的分子還是來自主恆星？’”
探索甲烷的奧秘
為了探索這個問題，Ranjan 和他的同事為 TRAPPIST-1e 模擬了幾種可能的大氣，重點關注富含甲烷的場景。然後，根據韋伯的數據，他們計算了每種情況的可能性。在測試的最可能的場景中，TRAPPIST-1e 看起來與土星富含甲烷的衛星泰坦相似。然而，分析表明這種情況仍然不太可能發生。
蘭詹說：“根據我們最近的工作，我們認為之前報導的大氣層的初步暗示很可能是來自主星的‘噪音’。” “然而，這並不意味著 TRAPPIST-1e 沒有大氣層；我們只是需要更多數據。”
蘭詹還指出，儘管詹姆斯·韋伯太空望遠鏡具有非凡的能力，但它並不是以地球大小的小型系外行星作為主要目標而建造的。
“它是在我們知道這樣的世界存在之前很久就設計出來的，我們很幸運它可以研究所有這些世界，”他說。 “只有少數地球大小的行星可以測量其大氣層的精確成分。”
即將到來的新任務和技術
未來的觀察可以幫助解決不確定性。一項有前途的努力是 NASA 的潘多拉任務，這是一顆小型衛星，目前正在開發中，計劃於 2026 年初發射。潘多拉任務由阿爾伯塔大學斯圖爾特天文台天文學和行星科學教授 Daniel Apai 領導，旨在研究系外行星及其宿主恆星的大氣層。該航天器將在行星凌日之前、之中和之後追踪那些可能存在宜居行星的恆星，從而提高科學家區分恆星效應和真實大氣信號的能力。
與此同時，TRAPPIST-1e 研究團隊正在開展更廣泛的觀測計劃，並應用新的分析方法來最終澄清這顆行星是否有大氣層。一種關鍵方法稱為雙重傳輸。在這種方法中，天文學家在TRAPPIST-1e和TRAPPIST-1b（內部系統的無空氣行星）同時穿過恆星前方的時刻觀察恆星。
蘭詹說：“通過這些觀測，我們將能夠區分恆星正在做什麼和行星大氣層中正在發生什麼（如果有的話）。”
