NASA 在美國(guó)時(shí)間 7 月 29 日凌晨宣布，通過“TESS”發(fā)現(xiàn)了三個(gè)新的行星——其中一個(gè)略大于地球，另兩個(gè)是太陽(yáng)系中沒有發(fā)現(xiàn)過的環(huán)繞附近恒星運(yùn)行的行星。它們是迄今為止已知的最小、距離我們最近的太陽(yáng)系系外行星之一。這三顆行星圍繞一顆恒星運(yùn)行，距離地球只有 73 光年，它們有望成為對(duì)外太空研究中最為奇特的目標(biāo)之一。
“TESS”的全名是“Transiting Exoplanet Survey Satellite”，意思是凌星系外行星巡天衛(wèi)星，是NASA的“探索者計(jì)劃”太空望遠(yuǎn)鏡之一，在 2018 年 4 月通過 SpaceX 的獵鷹 9 號(hào)運(yùn)載火箭在卡納維拉爾角 40 號(hào)臺(tái)發(fā)射升空。它肩負(fù)著搜尋太陽(yáng)系外行星的任務(wù)，力爭(zhēng)為人類尋找潛在的“第二地球”。
“TESS”在 2011 年被提出，最初由 Google 提供種子資金，麻省理工學(xué)院帶頭進(jìn)行研發(fā)，而最終的衛(wèi)星由 ATK 公司制造而成。相比于大名鼎鼎的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者，更適合對(duì)行星做細(xì)致的觀測(cè)），“TESS”則并不是讓人很熟悉。但“TESS”擁有比詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡性能更好的廣角鏡頭，更容易掃描整個(gè)宇宙，適合搜索整片星空下的恒星。
這次讓“TESS”感興趣的，是一顆暗淡、冰冷的恒星，其常見的登記名稱為：UCAC4 191-004642。這顆 M-矮星的體積和質(zhì)量都要比太陽(yáng)小 40%，其表面溫度比太陽(yáng)低約三分之一。這次發(fā)現(xiàn)的新行星系統(tǒng)，位于 73 光年以外的 Pictor 星座南部。
這三顆新發(fā)現(xiàn)的行星中，離恒星最遠(yuǎn)的“次海王星（Sub-Neptune）”似乎位于“溫帶”地區(qū)，這意味其星球的大氣層最頂端處于一個(gè)溫度范圍內(nèi)，可以維持某些形式的生命。然而，科學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)星球的大氣層很可能是一個(gè)厚厚的、超密集的熱量收集器，會(huì)使星球表面太熱而無法容納水或生命。
不過研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)新行星系統(tǒng)的研究，推測(cè)未來有可能在與這三顆新發(fā)現(xiàn)的行星有一定距離的軌道上，發(fā)現(xiàn)處于“宜居帶”之內(nèi)的其他行星。
圖 | 行星系統(tǒng) TOI 270 的關(guān)鍵特征：插圖顯示了行星的信息，包括它們的相對(duì)大小，以及它們與地球的比較。對(duì)TOI 270 行星系統(tǒng)給出的溫度是平衡溫度，是在沒有任何可能的大氣變暖效應(yīng)情況下計(jì)算得到 （來源：NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger）
盡管如此，這個(gè)被天文學(xué)家稱為“TOI 270”的新行星系統(tǒng)，也被證明其擁有其他奇妙的特性。例如，這三顆行星的大小看起來都比較接近。而我們的太陽(yáng)系則正好相反，充滿了各種極致的行星，從水星、金星、地球和火星的小巖石世界，到質(zhì)量更大的木星和土星，以及更遙遠(yuǎn)的海王星和天王星。
在太陽(yáng)系中，沒有任何一顆處于“中間位置”的行星，它的大小和組成介于地球和海王星之間。但是 TOI 270 系統(tǒng)中卻好像擁有兩顆這樣的行星：兩顆“次海王星”都比我們太陽(yáng)系的海王星要小，卻也沒比系統(tǒng)中的巖石行星大多少。
天文學(xué)家認(rèn)為 TOI 270 中的“次海王星”可能是行星形成途徑中的一個(gè)“缺失的環(huán)節(jié)”，因?yàn)樗鼈兪侵械却笮〉?。通過研究此次新發(fā)現(xiàn)的兩顆“次海王星”，可以幫助科學(xué)家確認(rèn)像地球這樣的小巖石行星和像海王星這樣質(zhì)量更大、更冰冷的行星是否遵循相同的形成路徑，或者是單獨(dú)演化而成的。
TOI 270 是解答這些問題的理想行星系統(tǒng)。因?yàn)楹阈潜旧砭驮诟浇?，明亮的同時(shí)又異常安靜。這顆恒星是一顆 M-矮星，通常都是非?；钴S的恒星，有頻繁的耀斑和太陽(yáng)風(fēng)暴。但 TOI 270 中的 M-矮星似乎已經(jīng)“老邁”了，它已經(jīng)平靜了下來，穩(wěn)定地釋放著光亮?？茖W(xué)家可以用它來測(cè)量軌道行星的許多特性，比如它們的質(zhì)量和大氣成分等。
麻省理工學(xué)院天體物理和空間研究所的博士后 Maximilian Günther 說：“這個(gè)系統(tǒng)可以解決很多細(xì)小卻很復(fù)雜的問題。”他也是這篇發(fā)表在 Nature Astronomy 雜志上論文的主要作者?！坝眠@個(gè)系統(tǒng)，你真的可以在系外行星科學(xué)中做你想做的任何事情。”
圖 | TOI 270 行星系統(tǒng)中三顆新發(fā)現(xiàn)的行星對(duì)比 （來源：NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger）
一種行星探索模式的推進(jìn)
Maximilian Günther 和他的同事是在觀察了“TESS”對(duì)恒星亮度的測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)了這三顆新行星。麻省理工學(xué)院研制的“TESS”一次會(huì)連續(xù)盯著天空中的星斑 27 天，監(jiān)視數(shù)千顆恒星是否有可能凌日——這種亮度下降的特征可能是一顆行星在其前方經(jīng)過時(shí)暫時(shí)擋住了它的光線。
MIT 的研究團(tuán)隊(duì)從附近的一顆恒星中分離出了幾個(gè)類似的信號(hào)，這顆恒星位于 73 光年以外的 Pictor 星座南部。他們?yōu)榈?270 顆“TESS”感興趣的對(duì)象命名為 TOI 270。研究人員使用地面觀測(cè)儀器來追蹤這顆恒星的活動(dòng)，并驗(yàn)證這些信號(hào)是否由三顆繞軌道運(yùn)行的系外行星產(chǎn)生。
最終發(fā)現(xiàn) TOI 270 b 行星，一顆由巖石構(gòu)成的“超地行星（super-Earth）”，有大約 3 天的軌道；TOI 270 c 行星，具有 5 天軌道的“次海王星（Sub-Neptune）”；TOI 270 d 行星，另一顆“次海王星”，稍微遠(yuǎn)一些，有 11 天的軌道。
Günther 指出，這些行星似乎排列在天文學(xué)家所稱的“共振鏈”中，這意味著它們的軌道比更接近于整數(shù)：在這種情況下，內(nèi)對(duì)（inner pair）比為 3 : 5，外對(duì)（outer pair）比為 2:1。因此，這些行星是相互“共振”的。天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了其他類似共振行星形成的小恒星，在我們太陽(yáng)系中，木星的衛(wèi)星也恰好在相互共振的情況下排列在一起。
圖 | TOI 270 的緊湊行星系統(tǒng)與太陽(yáng)系中木星及其衛(wèi)星的軌道相對(duì)比，情況比較接近 （來源：NASA’s Goddard Space Flight Center）
“對(duì)于 TOI 270 來說，這些行星就像串上的珍珠一樣排列在一起。”Günther 說，“這是一件非常有趣的事情，因?yàn)樗偈刮覀內(nèi)パ芯克鼈兊膭?dòng)力學(xué)行為。幾乎可以預(yù)料，如果有更多的行星，下一個(gè)行星會(huì)以另一個(gè)整數(shù)比而存在于更遠(yuǎn)的地方。
一座“特殊”實(shí)驗(yàn)室的誕生
TOI 270 的發(fā)現(xiàn)最初讓“”TESS”的研究團(tuán)隊(duì)感到一陣興奮，因?yàn)樵诘谝淮畏治鲋校琓OI 270 d 行星可能位于恒星的宜居帶，這個(gè)區(qū)域可能足夠的涼爽，足以支撐星球表面存在水，甚至可能還存有某種生命。但是研究人員很快就意識(shí)到，d行星的大氣層可能會(huì)非常厚，因此會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致星球表面太熱而不適宜生存。
但是 Günther 說，這個(gè)新行星系統(tǒng)很有可能承載著比 TOI 270 d 行星更遠(yuǎn)的其他行星，而那個(gè)行星很可能位于宜居帶內(nèi)。d 行星的軌道為 11 天，距恒星約 1000 萬公里。Günther 表示，考慮到這顆恒星相對(duì)較小，而且相對(duì)涼爽，大約是太陽(yáng)的一半。所以，它的宜居帶可能從 1500 萬公里開始。
誠(chéng)然，即使有這樣一顆行星存在于這一區(qū)域內(nèi)，對(duì)于它是否適合居住，還取決于許多其他參數(shù)，例如它的大小、質(zhì)量和大氣條件等。
幸運(yùn)的是，研究團(tuán)隊(duì)在他們的論文中寫道：“新的行星系統(tǒng) TOI 270 非常適合未來對(duì)宜居星球的搜索，因?yàn)樗貏e安靜?！毖芯咳藛T計(jì)劃將其他儀器，包括即將推出的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb）的目光聚焦在 TOI 270 上，以進(jìn)一步確定這三顆行星的各種特性，并在該恒星的宜居區(qū)內(nèi)尋找更多的行星。
“TOI 270 是系外行星科學(xué)家們的迪斯尼樂園，‘TESS’的主要任務(wù)之一就是探索發(fā)現(xiàn)?！盙ünther 說，“這是一個(gè)特殊的實(shí)驗(yàn)室，原因不止一個(gè)——而是它近乎滿足了所有（太空探索）的要求?！?/p>
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參考：
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-s-tess-mission-scores-hat-trick-with-3-new-worlds
https://www.sciencemag.org/news/2019/07/newly-discovered-exoplanet-trio-could-unravel-mysteries-super-earth-formation
http://news.mit.edu/2019/tess-discovers-three-planets-nasa-0729
