TRAPPIST-1系外行星揭示了有关可居住世界的线索

根据截至2018年2月的有关行星直径，质量和距主恒星距离的可用数据，艺术家的概念显示了TRAPPIST-1行星系统的外观。

TRAPPIST-1是一颗超冷的红矮星，它比木星行星稍大，但质量更大，它位于水瓶座星座中距太阳约40光年的位置。

在行星系统中，TRAPPIST-1特别令人感兴趣，因为已经发现有7个行星绕着这颗恒星运行，这比任何其他系外行星系统都探测到的行星要多。此外，所有TRAPPIST-1行星都是地球大小且为地球的行星，使其成为研究行星形成和潜在宜居性的理想焦点。

ASU科学家Cayman Unterborn，地球与太空探索学院的Steven Desch和Alejandro Lorenzo与范德比尔特大学的Natalie Hinkel一起研究了这些行星的可居住性，特别是与水成分有关的可居住性。他们的发现最近发表在《自然天文学》上。

计算等于水

TRAPPIST-1行星奇特地轻。从测量的质量和体积来看，该系统所有行星的密度都小于岩石。在许多其他类似的低密度世界中，人们认为这种密度较小的成分是由大气中的气体组成的。

“但是TRAPPIST-1行星的质量太小，无法容纳足够的气体来弥补密度不足，”地球学家Unterborn解释说。“即使他们能够固守天然气，弥补密度不足所需要的数量也将使地球比我们所看到的更膨松。”

因此研究这个行星系统的科学家已经确定，低密度成分必须是其他丰富的东西：水。这是以前曾预测过的，甚至可能在较大的行星（如GJ1214b）上看到过，因此由地球科学家和天体物理学家组成的跨学科ASU-范德比尔特小组着手确定这些地球大小的行星上可能存在多少水，以及如何以及可能是行星形成的地方。

在红矮星TRAPPIST-1周围的轨道上发现的所有七个行星都可以轻松地放入水星的轨道内，水星是我们太阳系的最内层行星。信用NASA / JPL-加州理工学院

但是那有多少呢？

为了确定TRAPPIST-1行星的组成，研究小组使用了由Unterborn和Lorenzo开发的独特软件包，该软件包使用了最先进的矿物物理计算器。名为ExoPlex的软件使该团队能够组合有关TRAPPIST-1系统的所有可用信息，包括恒星的化学组成，而不仅限于单个行星的质量和半径。

研究小组用来确定成分的许多数据是从名为“ Hypatia Catalogue”的数据集中收集的，该数据集由作者Henkel开发。该目录将来自150多个文献来源的靠近我们太阳的恒星恒星丰度的数据合并到一个庞大的存储库中。

他们通过分析发现，相对“干燥”的内行星（“ b”和“ c”）与按质量计少于15％的水相符（相比之下，地球按质量计为0.02％的水）。外行星（“ f”和“ g”）与按质量计含有超过50％的水是一致的。这相当于数百个地球海洋的水。TRAPPIST-1行星的质量仍在不断完善，因此目前必须考虑这些比例，但总体趋势似乎很明显。

ASU天体物理学家兼撰稿人史蒂文·德施（Steven Desch）说：“我们第一次看到的是地球大小的行星，上面有很多水或冰。”

通过TRAPPIST-1“ f”的模型组成的切片，其中包含质量分数超过50％的水。仅水的压力就足以使其变成高压冰。水幔边界处的压力是如此之大，以至于根本没有上地幔存在。取而代之的是，最浅的岩石更像地球下地幔中的岩石。

但是研究人员还发现，富含冰的TRAPPIST-1行星比冰线更接近其宿主恒星。包括TRAPPIST-1在内的任何太阳系中的“冰线”是指距恒星的距离，超过恒星的距离，水就以冰的形式存在，并且可以积聚到行星中。冰线内部的水以蒸气的形式存在，不会被吸收。通过分析，研究小组确定了TRAPPIST-1行星的形成一定距离其恒星更远，超过了冰线，并迁移到了其靠近主恒星的当前轨道。

有许多线索表明该系统中的行星以及其他行星已经发生了实质性的向内迁移，但是这项研究是首次使用成分来支持迁移的案例。而且，了解冰线内部和外部形成了哪些行星后，研究小组可以首次量化发生了多少次迁移。

因为像TRAPPIST-1这样的恒星在形成后立即最亮，然后逐渐变暗，所以冰线倾向于随时间推移而移动，就像干燥的地面与白雪覆盖的地面之间的边界，在下雪的夜晚死于篝火。行星向内迁移的确切距离取决于它们形成的时间。

德希说：“行星形成的时间越早，它们所形成的冰就离恒星越远。”但是，对于合理的行星形成时间假设，TRAPPIST-1行星必须向内迁移的距离至少是现在的两倍。

该图显示了富含冰的TRAPPIST-1行星（尤其是f和g）距其恒星（水平轴）的最小起始距离，该距离是其恒星诞生后其形成速度（垂直轴）的函数。蓝线代表一个模型，其中水在170 K时凝结成冰，就像我们太阳系的行星形成盘一样。红线表示适用于TRAPPIST-1盘的，在212 K时冷凝成冰的水。如果行星迅速形成，那么它们必须形成得更远（并以更大的距离迁移）才能容纳大量的冰。由于TRAPPIST-1随着时间的推移而变暗，因此如果行星形成得较晚，它们可能形成得更靠近宿主恒星，并且仍然富含冰。

好东西太多了

有趣的是，虽然我们认为水对生命至关重要，但TRAPPIST-1行星可能有太多的水来维持生命。

欣克尔解释说：“我们通常认为在星球上拥有液态水是开始生命的一种方式，因为众所周知，生命在地球上主要由水组成，并且需要水才能生存。”“但是，无论是水世界还是没有水面的行星，都没有生命所必需的重要地球化学或元素循环。”

最终，这意味着，虽然像TRAPPIST-1这样的M型矮星是宇宙中最常见的恒星（并且有可能有行星围绕这些恒星运行），但它们可能拥有的大量水使它们成为恒星不利于生命的存在，特别是生命不足，无法在大气中产生可观察到的信号。欣克尔说：“这是'太多好事的经典情形。'

因此，尽管我们不太可能在TRAPPIST-1行星上找到生命的证据，但通过这项研究，我们可能会更好地了解冰行星的形成方式以及我们在继续寻找中应寻找的恒星和行星的种类。生活。

出版物：开曼·安特伯恩（Cayman T.Unterborn）等人，“从富含水的成分推断出的TRAPPIST-1行星的向内迁移”，《自然天文学》（Nature Astronomy）（2018）doi：10.1038 / s41550-018-0411-6