TRAPPIST-1对行星观测来说是一颗怎样的恒星?
TRAPPIST-1的半径约为太阳的12%,只比木星稍大。恒星很小,因此一颗地球大小的行星经过它前方时,会遮住约0.6%的星光。这一变化约为同一颗行星经过太阳前方时的70倍,有利于测量行星大小和研究大气。但恒星表面有比周围暗的星斑和较亮的区域,也会发生耀斑。如果星光本身随时间和波长改变,这些变化就可能与行星大气留下的痕迹混在一起。
TRAPPIST-1的小尺寸让七颗行星更容易被发现,但要研究每颗行星的大气,也必须详细了解恒星自身的变化。如果假定恒星表面每处都同样明亮,就可能误以为行星含有实际不存在的气体,也可能把真实的大气信号错当成恒星变化。
- 约40光年 太阳系到TRAPPIST-1的距离
- 约为太阳半径的12% 一颗只比木星稍大的恒星
- 约为太阳质量的9% 足以在核心持续进行氢聚变
- 约2,566 K 表面温度约为2,300摄氏度
TRAPPIST-1和木星大小相近,为什么仍是一颗恒星?
天文学家把TRAPPIST-1归为M8V型超冷红矮星。“超冷”指它的温度比其他恒星低。表面温度约2,566 K,即约2,300摄氏度,不到太阳的一半,但仍足以熔化岩石和金属。它发出的大部分光是波长比可见光更长的红外线。
虽然大小接近木星,质量却约为木星的94倍。相近的体积内聚集了更多物质,使核心具有足够高的温度和压力,可以持续通过氢聚变释放能量。这正是它与不能维持氢聚变的行星和褐矮星之间的区别。TRAPPIST-1是一颗质量接近恒星下限的小恒星。
为什么小恒星周围的行星更容易被发现?
行星能遮住多少比例的星光,取决于行星与恒星的尺寸差。TRAPPIST-1的半径约为地球的13倍,所以一颗地球大小的行星会覆盖恒星圆面的大约一百七十分之一,令星光减少约0.6%。这比地球经过太阳前方时的变化大约70倍。
恒星很小,七颗行星又只需1.5至18.8天就能公转一周,因此经常经过恒星前方。这让地面的TRAPPIST望远镜和Spitzer确认了七颗行星,也让Webb能够汇集多次观测来研究大气。遮光比例大,不代表恒星本身明亮。TRAPPIST-1远比太阳暗,要可靠分辨微小变化,仍需合并多次观测。
如何从星光中寻找行星大气?
行星经过恒星前方时,部分星光会穿过行星边缘的大气。大气中的气体会吸收特定波长,使行星在这些波长上显得稍大。研究人员把星光按波长分开,比较行星不在恒星圆面上与正在经过时的光。这样得到的结果叫作透射光谱。
这种方法假定两个时刻的星光原本相同。如果恒星表面温度处处一致,比较会很简单,但TRAPPIST-1的真实表面并不均匀。当行星经过的区域与没有被遮住的其余表面温度和亮度不同,测得的差异就同时包含行星大气和恒星表面的影响。
- 测量行星没有经过时的星光 按波长分开星光并记录亮度。
- 在行星经过时再次测量 用相同方法记录被行星及其大气遮挡后剩余的光。
- 比较两次结果 计算行星在哪些波长上遮住了更多星光。
- 扣除恒星造成的变化 另外计算星斑、亮区和耀斑怎样改变星光。
- 检查多个观测中是否重复 只有同一痕迹反复出现时,才把它作为大气气体的候选信号。
恒星表面的变化会不会看起来像行星大气?
星斑比周围温度低、亮度暗,亮区则更热。即使行星没有直接经过这些区域,星斑和亮区占整个恒星表面的比例也会改变平时的星光。冷星斑在不同波长上变暗的程度不同,可能形成类似行星大气中的水或其他气体吸收光线的形状。
如果行星经过星斑,它遮住的光较少,观测亮度会短暂上升;经过亮区时,则可能比平常变暗更多。耀斑也会在短时间内同时改变紫外线、可见光和红外线亮度。由于发生时间和对各波长的影响不同,一次观测很难排除所有干扰。Webb首次观测TRAPPIST-1 b时,不同观测时段也出现了看来由星斑或亮区造成的特征。
在小恒星前方,行星遮住的光所占比例更大。但要准确了解大气,也必须计算行星遮住和没有遮住的恒星区域之间的亮度差。
如何分辨恒星和行星的信号?
单次凌星无法可靠区分恒星造成的变化与行星大气的痕迹。研究人员比较不同时期的凌星,并记录每次凌星前后的恒星亮度和耀斑。若在很短的间隔内观测两颗行星经过,还可以在恒星表面大幅变化之前比较两组数据,找出恒星带来的影响。
测量行星躲到恒星后方时总光量减少多少,可以知道行星昼面发出的热量。这与行星经过恒星前方时得到的信息不同。研究人员要比较不同波长和观测方法是否指向同一种大气解释。NASA表示,视行星而定,确切区分大气可能需要在数年内观测数百次凌星。这是说明恒星变化带来多大难度的估计,并非已经确定的观测次数。
年老的恒星也会发生耀斑吗?
TRAPPIST-1的估计年龄约为76亿年,实际值可能上下相差约22亿年。它比太阳年老,但年龄大不代表磁活动已经消失。红矮星演化缓慢,能够在很长时间内保持磁活动并产生耀斑。
这颗恒星很暗,因此行星必须靠近它运行,才能接收到适量星光。七颗行星与恒星的距离都小于水星与太阳的距离。耀斑发出的紫外线和X射线会改变附近行星的大气分子,并可能促使部分气体逃入太空。但仅仅看到耀斑,不能断定某颗行星已失去大气。结果还取决于最初的大气厚度,以及磁场或内部释放的新气体能否补充大气。
本页的恒星图像既不是TRAPPIST-1表面的详细照片,也不是人眼会看到的真实颜色。图中的暗斑和亮区是为说明星光变化而绘制的。观测确认的是恒星整体的大小、质量和温度,以及它的光怎样随时间变化。