距离地球约39光年的TRAPPIST系统酷似我们太阳系的微缩版：这颗名为TRAPPIST-1的超冷红矮星及其所有行星，其轨道范围都能轻松容纳在水星轨道之内。图片来源：美国国家航空航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、空间望远镜科学研究所（STScI）、约瑟夫·奥姆斯特德（Joseph Olmsted，STScI）
在围绕红矮星TRAPPIST-1运行的七颗类地行星中，有一颗世界已成为天文学家特别关注的焦点。这颗名为TRAPPIST-1e的行星，其轨道位于恒星的“宜居带”内——该区域的温度条件可能允许液态水存在于行星表面——但前提是行星必须拥有大气层来帮助调节这些条件。在液态水能够持续存在的地方，生命存在的可能性便自然随之而来。
最近发表的两篇科学论文报告了利用美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韦伯空间望远镜对TRAPPIST-1系统进行的首次详细观测结果。这些发表于《天体物理学杂志通讯》（Astrophysical Journal Letters）的研究，来自一个包括亚利桑那大学月球与行星实验室的苏克里特·兰詹（Sukrit Ranjan）在内的研究团队。作者们仔细检查了迄今为止收集的数据，并描述了TRAPPIST-1e的大气和表面可能呈现的几种合理情况。
然而，第三篇论文则呼吁保持谨慎。尽管早期发现令人鼓舞，并且代表了理解距离我们最近、可能类地的系外行星之一所迈出的重要一步，但兰詹认为需要更有力的证据。他特别呼吁进行更严格的研究，以检验TRAPPIST-1e是否真的拥有大气层，以及詹姆斯·韦伯望远镜观测到的甲烷的初步迹象是否真的来自这颗行星，而非其宿主恒星。
TRAPPIST系统的名称来源于首次发现它的巡天项目——“凌星行星与微行星小望远镜项目”。这个行星家族距离地球大约39光年。它可以被看作是我们太阳系的缩小版，因为恒星及其所有七颗行星都能轻松容纳在水星轨道之内。那里的时光飞逝：每颗TRAPPIST行星绕恒星公转一周仅需几个地球日。
“关于TRAPPIST-1e的基本论点是：如果它拥有大气层，它就是宜居的，”亚利桑那大学月球与行星实验室（LPL）的助理教授兰詹说，“但目前，首要问题必须是，‘它到底有没有大气层？’”
为了探究这个问题，研究团队使用了詹姆斯·韦伯空间望远镜强大的近红外光谱仪（NIRSpec）。他们将该仪器对准TRAPPIST系统，同时观测TRAPPIST-1e凌星——即从其宿主恒星前方经过。在凌星期间，部分星光会穿过行星周围的任何大气层，某些波长的光会被吸收。通过测量这种过滤后的星光，天文学家可以推断存在哪些气体。在多次凌星过程中重复这一过程，可以逐步清晰描绘出行星的大气化学成分。
在对TRAPPIST-1e进行的四次此类凌星观测中，研究团队看到了微弱的甲烷迹象。然而，TRAPPIST-1是一颗所谓的M型矮星，大小仅为太阳的约十分之一，只比木星稍大。由于此类恒星与我们的太阳具有不同的物理特性，兰詹指出，科学家在解释任何潜在的行星信号时必须格外谨慎。
“太阳是一颗明亮的黄矮星，而TRAPPIST-1是一颗超冷的红矮星，这意味着它比我们的太阳要小得多、冷得多、暗得多，”他解释道，“事实上，它冷到足以允许其大气中存在气体分子。我们报告了甲烷的迹象，但问题是，‘甲烷是归因于行星大气中的分子，还是宿主恒星中的分子？’”
为了探索这个问题，兰詹和他的同事为TRAPPIST-1e模拟了一系列可能的大气情况，重点关注富含甲烷的情景。然后，他们根据韦伯的数据计算了每种情况的可能性。在测试过的最合理情景中，TRAPPIST-1e最终看起来大致类似于土星富含甲烷的卫星土卫六。即便如此，分析表明，这种情况的可能性仍然非常低。
“根据我们最新的研究，我们认为先前报告的大气初步迹象更可能是来自宿主恒星的‘噪声’，”兰詹说，“然而，这并不意味着TRAPPIST-1e没有大气层——我们只是需要更多数据。”
兰詹还强调，尽管詹姆斯·韦伯空间望远镜能力非凡，但它并非以研究小型、地球大小的系外行星为主要目标而建造。
“它的设计远在我们知道这些世界存在之前，而我们很幸运它能够研究它们，”他说，“目前存在的、它有可能测量到任何详细大气成分的地球大小行星屈指可数。”
未来的观测可能有助于解决这些不确定性。一项有前景的努力是美国国家航空航天局（NASA）的潘多拉（Pandora）任务，这是一颗目前正在开发、计划于2026年初发射的小型卫星。由亚利桑那大学斯图尔德天文台的天文学和行星科学教授丹尼尔·阿派（Daniel Apai）领导，潘多拉任务专门用于研究系外行星大气及其宿主恒星。该航天器将在行星凌星之前、期间和之后跟踪拥有潜在宜居行星的恒星，从而提高科学家区分恒星效应与真实大气信号的能力。
与此同时，TRAPPIST-1e研究团队正在推进一个更庞大的观测计划，并应用新的分析方法，这些方法可能最终澄清该行星是否拥有大气层。一个关键的方法被称为双凌星法。在这种方法中，天文学家在TRAPPIST-1e和该系统最内侧、没有大气的行星TRAPPIST-1b同时从恒星前方经过时进行观测。
“这些观测将使我们能够区分恒星的活动与行星大气（如果它存在的话）中的活动，”兰詹说。
