零距離科學:另一個太陽系

零距離科學:另一個太陽系
我們想讓你知道的是

本集的《零距離科學》,正正帶領大家以嶄新的方法尋找類近地球大小的太陽系外行星,發掘外星生命的可能。

文:吳家亮(香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台

也許,曾幾何時,大家會想過,究竟我們是宇宙中的唯一,還是千千萬萬個存在著生命的星球的其中之一?我們想像過,月球上有嫦娥,紅色星球上有火星人。希望落空了後,天體物理學家把焦點放在太陽系外行星(Exoplanets),研究這些行星是否位於適居帶(Habitable zone)?有沒有可孕育生命的液態水?本集的《零距離科學》,正正帶領大家以嶄新的方法尋找類近地球大小的太陽系外行星,發掘外星生命的可能。

眾裏尋他—另一個地球先生

凌日法(Transit photometry)是天體物理學家尋找太陽系外行星的其中一種方法。當行星橫越恆星的盤面時,恆星的亮度就會稍為降低,橫越的行星愈大,恆星亮度降低的比率就愈高。

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科學家運用凌日法探測太陽系外行星,當行星在恆星盤面前橫過,就會造成恆星光度的減弱。

過往,科學家以大型天文望遠鏡,例如是智利的超大望遠鏡(Very Large Telescope, VLT),觀察跟太陽相若的恆星的光度變化,從而找到了一些如木星般大的氣體行星,但小如地球的行星就較難被發現,因為它造成的亮度降低只有前者的一百分之一。打一個比喻,一隻小飛蛾在耀眼的車頭燈前飛過,會難以被察覺;但當這隻小飛蛾在單車燈前飛過,便易於發現了。

科學家米夏埃爾·吉隆(Michaël Gillon)改變了策略,決定在比太陽小和暗的紅矮星(Red Dwarf)上實踐凌日法。因著行星的橫越會較大程度降低紅矮星的亮度,他使用小型的天文望遠鏡便足以進行研究。他運用了位於VLT以南500英哩的凌星行星及原行星小望遠鏡(TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope,TRAPPIST),逐顆研究紅矮星的亮度。

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位於智利的TRAPPIST全自動望遠鏡,名字是向產在比利時的同名手工啤酒致敬。

2015年9月16日,就是智利發生8.3級大地震並引發海嘯的當晚,團隊在確定望遠鏡沒損壞後,把握日出前的三小時,進行觀察,終於迎來了激動人心的重大發現。吉隆當時身處比利時,透過電腦分析TRAPPIST的數據,他赫然發現觀察到非常清晰的凌日現象,系統裏還有著超過一個行星!他興奮得立時把數據展示給女兒看,可惜她竟然漠不關心!這個距離我們僅四十光年的系統後來被命名為TRAPPIST-1。

這個新發現讓全球的大型望遠鏡一起加入觀察的行列,希望準確斷定TRAPPIST-1系統裏的行星數量。可是,因著各種大氣的干擾,科學家們對於系統裏有四個、五個、六個、還是七個行星仍然不能確定。最後要出動史匹哲太空望遠鏡 (Spitzer Space Telescope),觀察TRAPPIST-1的紅外線訊號長達二十個晝夜,才知道TRAPPIST-1足足有七顆行星!

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藝術家構想圖片。Image Credits: NASA/JPL-Caltech
尋幽探祕—七顆行星的袐密

這七顆行星,按照跟恆星(紅矮星)的距離,由近至遠被命名為TRAPPIST-1b至TRAPPIST-1h。行星之間的距離相當近,跟恆星的距離也近,尤其是TRAPPIST-1b和1c。兩顆行星都被恆星的引力鎖定了,永遠都是同一面朝著恆星,就像是月球被地球鎖定一般。TRAPPIST-1b的表面溫度相當高,平均攝氏130度。這除了是源於陽光的近距離照射,還跟恆星的強勁磁場有關。這顆紅矮星產生的磁場比太陽高幾百倍,再加上與TRAPPIST-1b的距離比太陽跟地球的近很多,以致磁場會把行星內部的金屬熔化,岩漿會在行星地下流動,不時造成火山爆發。

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紅矮星的強力磁場會把TRAPPIST-1b行星內部的金屬熔化。

至於TRAPPIST-1d跟1e,它們從恆星接受的能量跟地球從太陽接受的差不多,兩顆行星都處於適居帶,表面溫度容許液態水的存在。從史匹哲太空望遠鏡獲得的行星大小和質量數據,可以讓科學家計算行星的密度。他們發現,TRAPPIST-1d是密度最低的一顆,可能有著比地球多250倍的海洋。TRAPPIST-1e則有著跟地球相若的密度,可能有著陸地和海洋。

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最接近地球形態的TRAPPIST-1e,科學家估計它的表面也有陸地和海洋。

TRAPPIST-1f至1h的低密度也容許了水的存在,但它們距離恆星遠一些,接受的能量少一些,那水是不是只會以堅硬冰塊的姿態呈現呢?那又不一定!我們還要鑽研行星是否有大氣層。科學家可以運用數據模擬行星的大氣狀態,然後以實驗觀察雷射光如何被大氣反射,從而推算行星的表面溫度。惟有TRAPPIST-1f在合適的大氣環境,並配合著溫室氣體和雲層,才有機會保存熱能,讓星球表面出現液態水。至於TRAPPIST-1g和1h,即使它們有著適當的大氣,也不會有足夠的能量把水融掉。

沉思細想—外星生命的可能

這樣看來,TRAPPIST-1系統裏有三顆行星存在著液態水的可能,那行星上真的有生命嗎?有科學家比較悲觀,原因是這系統的七顆行星距離很近,互相之間的引力影響會容易讓它們產生碰撞,從而摧毀系統,電腦模擬行星的軌迹也支持這個結論。生命的演化要有可能,必須要有一個相對穩定的環境,而TRAPPIST-1似乎欠奉。

但天體物理學家兼音樂家Matt Russo則提出另一番見解。他研究七顆行星的公轉週期,發現它們呈現一個和諧的規律,當最外頭的TRAPPIST-1h圍繞恆星公轉兩次,TRAPPIST-1g就公轉三次,TRAPPIST-1f則為四次,TRAPPIST-1e就是六次,TRAPPIST-1d九次,TRAPPIST-1c十五次,最裏頭的TRAPPIST-1b則為二十四次。這就好像是管弦樂團一般,他甚至能把行星的運行規律寫成了一篇管弦樂章,還進行了表演呢!

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TRAPPIST-1系統的行星圍繞著紅矮星公轉,週期有著如管弦樂般的和諧秩序。

他認為,當行星一邊運轉,一邊就會和行星鄰居互相微調軌道,有時能慢慢鎖定在一個穩定的狀態,保持著完美的平衡。科學家再發現,TRAPPIST-1系統已經有著超過70億年的歷史,比太陽系還要古老。在時間的長河裏,孕育出生命似乎不無可能吧!

但是,又有科學家指出,紅矮星的太陽風暴遠比太陽的來得頻密和激烈,再加上行星距離恆星很近,高能量的紫外線會不斷破壞遺傳物質的結構,生命的出現又成泡影……不過,又有科學家在地球的海洋生物上找到一個機制,足以抗衡紫外線的破壞!那就是生長在熱帶淺水處的珊瑚,牠們不能透過逃走來避開紫外線的照射,但牠們的身體表面有著熒光蛋白,能夠立時把高能量的紫外線轉化為低能量的可見光,四両撥千斤地化解危機。

TRAPPIST-1d、1e和1f是否也有演化出類似機制的生命,暫時還是未知之數。讓我們一同拭目以待,看看未來的望遠鏡能否探測到行星在受太陽風暴影響之時,閃耀出燦爛的螢光!

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也許,未來的望遠鏡會讓我們看到,行星在受太陽風暴影響之時,閃耀出由生命所釋出的燦爛螢光!

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於4月10日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯︰Alvin
核稿編輯︰Kayue