TRAPPIST-1 c可能有怎样的大气?
TRAPPIST-1 c比地球稍大、稍重,从恒星接收的能量与金星从太阳接收的能量相近。它一度被认为可能是拥有厚重二氧化碳大气和云层的“金星孪生星”。然而,2023年对昼侧热量的测量和2026年对昼夜亮度变化的测量表明,气压超过约1巴、也就是地球表面气压的大气与观测结果不符。目前仍无法分辨它究竟有一层稀薄的氧气大气,还是没有大气、仅由明亮表面反射了大量星光。
- 约2.4218天 绕恒星一周所需的时间
- 约236万千米 行星与恒星之间的平均距离
- 约为地球的1.31倍 根据凌日时间变化算出的质量
- 约为地球的1.10倍 根据遮挡星光的比例算出的半径
行星躲到恒星后方时能测量什么?
行星出现在恒星旁边时,望远镜会同时收到星光和行星昼侧发出的红外线;行星躲到恒星后方后,只剩下星光。韦布望远镜的MIRI仪器四次观测了这种“次食”。在15μm波长的红外线中,总亮度下降了约0.04%,科学家由此算出行星昼侧发出的热量。
这一亮度对应约380K、也就是约107摄氏度的亮温。如果它拥有像金星那样厚重且富含二氧化碳的大气,大气会吸收15μm红外线,并把白天的热量带到夜晚,使昼侧显得更暗。实际观测到的c明亮得多。这说明它不是一个拥有厚重二氧化碳大气和硫酸云的金星式世界,但仅凭这次观测还不能断定它完全没有大气。
如何比较昼侧和夜侧的热量?
只看行星躲到恒星后方的瞬间,只能知道昼侧的热量。韦布在行星绕行一周、朝向地球的一面不断变化时,持续记录它的红外亮度。这种记录称为热相位曲线。如果大气很厚,热量会被带到夜晚,使夜侧也发出红外线;最热的位置还可能偏离正对恒星的地点。
2026年的观测显示,c昼侧的亮温为369±23K,即约96±23摄氏度。夜侧热量没有被清楚测到,最亮时刻也没有明显偏移。这使能够把昼间热量广泛输送到夜间的厚重大气变得很不可能,尤其是表面气压超过约1巴的大气。
c没有像金星那样厚重的大气。不过,它究竟有一层稀薄大气,还是有一片能反射大量星光的明亮表面,目前仍不知道。
c的昼侧为什么比预期更凉?
c比b离恒星更远,接收的能量也更少。但距离并不能解释两颗行星相位曲线的全部差异。c的昼侧比b凉;在无大气表面模型中,只有表面具有更高反射率才能符合观测。明亮表面会把更多入射星光反射回太空,因此温度较低。
另一种解释是以氧气为主的极稀薄大气。它虽然很难留住大量热量或把热量带到夜晚,却仍可能影响昼侧的红外亮度。计算还显示,强烈星光过去可能分解了水,让较轻的氢逃入太空,只留下氧。这只是模型给出的一种可能,并不是直接发现了氧气。
- 测出大小和质量 根据被遮挡的星光算出大小,再根据邻近行星凌日时间的变化算出质量。
- 2023年 昼侧的15μm红外线排除了厚重的金星式二氧化碳大气。
- 分析凌日时的星光 排除了富含氢的厚重大气,但恒星本身的变化混入了测量。
- 2026年 测量一整圈中的昼夜热量,进一步降低了大气厚于1巴的可能性。
- 现在 还需更多观测,才能分辨稀薄氧气大气与高反射率的无大气表面。
恒星表面的变化会怎样影响大气观测?
行星从恒星前方经过时,分析穿过大气的星光,可以寻找被不同气体吸收的波段。对c的近红外观测排除了富含氢的大气,以及部分富含水、氨或一氧化碳的厚重大气。不过,TRAPPIST-1上的星斑和明亮区域也会明显改变星光的颜色,因此稀薄大气留下的微弱痕迹仍未得到确认。
一整圈中的红外亮度变化会以另一种方式受到星斑影响,但它无法直接说明是否存在氧气这类不太能留住热量的气体。只有多个红外波段和凌日时的星光都指向同一种解释,才能分辨稀薄大气和明亮表面。
TRAPPIST-1 c与金星有多相似?
c的质量和半径符合岩石行星,但无法分别确定铁核大小、表面矿物和大气压力。它从恒星接收的能量与金星相近,也不代表两者现在的环境相同。它们的恒星光谱和耀斑、形成行星的物质以及大气流失历史都不一样。
369±23K、即约96±23摄氏度,是根据15μm红外线算出的昼侧亮温。它既不是行星的平均温度,也不是表面每个地点的实际温度。稀薄氧气大气和高反射率表面只是能够解释观测值的两种可能;氧气、云层和矿物都尚未被直接发现。