NASA发现三颗系外新行星，或将有助于找到另一颗“地球”

NASA 在美国时间 7 月 29 日凌晨宣布，通过“TESS”发现了三个新的行星——其中一个略大于地球，另两个是太阳系中没有发现过的环绕附近恒星运行的行星。它们是迄今为止已知的最小、距离我们最近的太阳系系外行星之一。这三颗行星围绕一颗恒星运行，距离地球只有 73 光年，它们有望成为对外太空研究中最为奇特的目标之一。

“TESS”的全名是“Transiting Exoplanet Survey Satellite”，意思是凌星系外行星巡天卫星，是NASA的“探索者计划”太空望远镜之一，在 2018 年 4 月通过 SpaceX 的猎鹰 9 号运载火箭在卡纳维拉尔角 40 号台发射升空。它肩负着搜寻太阳系外行星的任务，力争为人类寻找潜在的“第二地球”。

“TESS”在 2011 年被提出，最初由 Google 提供种子资金，麻省理工学院带头进行研发，而最终的卫星由 ATK 公司制造而成。相比于大名鼎鼎的詹姆斯·韦伯太空望远镜（哈勃望远镜的继任者，更适合对行星做细致的观测），“TESS”则并不是让人很熟悉。但“TESS”拥有比詹姆斯·韦伯太空望远镜性能更好的广角镜头，更容易扫描整个宇宙，适合搜索整片星空下的恒星。

这次让“TESS”感兴趣的，是一颗暗淡、冰冷的恒星，其常见的登记名称为：UCAC4 191-004642。这颗 M-矮星的体积和质量都要比太阳小 40%，其表面温度比太阳低约三分之一。这次发现的新行星系统，位于 73 光年以外的 Pictor 星座南部。

这三颗新发现的行星中，离恒星最远的“次海王星（Sub-Neptune）”似乎位于“温带”地区，这意味其星球的大气层最顶端处于一个温度范围内，可以维持某些形式的生命。然而，科学家认为，这个星球的大气层很可能是一个厚厚的、超密集的热量收集器，会使星球表面太热而无法容纳水或生命。

不过研究团队通过对新行星系统的研究，推测未来有可能在与这三颗新发现的行星有一定距离的轨道上，发现处于“宜居带”之内的其他行星。

图 | 行星系统 TOI 270 的关键特征：插图显示了行星的信息，包括它们的相对大小，以及它们与地球的比较。对TOI 270 行星系统给出的温度是平衡温度，是在没有任何可能的大气变暖效应情况下计算得到 （来源：NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger）

尽管如此，这个被天文学家称为“TOI 270”的新行星系统，也被证明其拥有其他奇妙的特性。例如，这三颗行星的大小看起来都比较接近。而我们的太阳系则正好相反，充满了各种极致的行星，从水星、金星、地球和火星的小岩石世界，到质量更大的木星和土星，以及更遥远的海王星和天王星。

在太阳系中，没有任何一颗处于“中间位置”的行星，它的大小和组成介于地球和海王星之间。但是 TOI 270 系统中却好像拥有两颗这样的行星：两颗“次海王星”都比我们太阳系的海王星要小，却也没比系统中的岩石行星大多少。

天文学家认为 TOI 270 中的“次海王星”可能是行星形成途径中的一个“缺失的环节”，因为它们是中等大小的。通过研究此次新发现的两颗“次海王星”，可以帮助科学家确认像地球这样的小岩石行星和像海王星这样质量更大、更冰冷的行星是否遵循相同的形成路径，或者是单独演化而成的。

TOI 270 是解答这些问题的理想行星系统。因为恒星本身就在附近，明亮的同时又异常安静。这颗恒星是一颗 M-矮星，通常都是非常活跃的恒星，有频繁的耀斑和太阳风暴。但 TOI 270 中的 M-矮星似乎已经“老迈”了，它已经平静了下来，稳定地释放着光亮。科学家可以用它来测量轨道行星的许多特性，比如它们的质量和大气成分等。

麻省理工学院天体物理和空间研究所的博士后 Maximilian Günther 说：“这个系统可以解决很多细小却很复杂的问题。”他也是这篇发表在 Nature Astronomy 杂志上论文的主要作者。“用这个系统，你真的可以在系外行星科学中做你想做的任何事情。”

图 | TOI 270 行星系统中三颗新发现的行星对比 （来源：NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger）

一种行星探索模式的推进

Maximilian Günther 和他的同事是在观察了“TESS”对恒星亮度的测量后，发现了这三颗新行星。麻省理工学院研制的“TESS”一次会连续盯着天空中的星斑 27 天，监视数千颗恒星是否有可能凌日——这种亮度下降的特征可能是一颗行星在其前方经过时暂时挡住了它的光线。

MIT 的研究团队从附近的一颗恒星中分离出了几个类似的信号，这颗恒星位于 73 光年以外的 Pictor 星座南部。他们为第 270 颗“TESS”感兴趣的对象命名为 TOI 270。研究人员使用地面观测仪器来追踪这颗恒星的活动，并验证这些信号是否由三颗绕轨道运行的系外行星产生。

最终发现 TOI 270 b 行星，一颗由岩石构成的“超地行星（super-Earth）”，有大约 3 天的轨道；TOI 270 c 行星，具有 5 天轨道的“次海王星（Sub-Neptune）”；TOI 270 d 行星，另一颗“次海王星”，稍微远一些，有 11 天的轨道。

Günther 指出，这些行星似乎排列在天文学家所称的“共振链”中，这意味着它们的轨道比更接近于整数：在这种情况下，内对（inner pair）比为 3 : 5，外对（outer pair）比为 2:1。因此，这些行星是相互“共振”的。天文学家还发现了其他类似共振行星形成的小恒星，在我们太阳系中，木星的卫星也恰好在相互共振的情况下排列在一起。

图 | TOI 270 的紧凑行星系统与太阳系中木星及其卫星的轨道相对比，情况比较接近 （来源：NASA’s Goddard Space Flight Center）

“对于 TOI 270 来说，这些行星就像串上的珍珠一样排列在一起。”Günther 说，“这是一件非常有趣的事情，因为它促使我们去研究它们的动力学行为。几乎可以预料，如果有更多的行星，下一个行星会以另一个整数比而存在于更远的地方。

一座“特殊”实验室的诞生

TOI 270 的发现最初让“”TESS”的研究团队感到一阵兴奋，因为在第一次分析中，TOI 270 d 行星可能位于恒星的宜居带，这个区域可能足够的凉爽，足以支撑星球表面存在水，甚至可能还存有某种生命。但是研究人员很快就意识到，d行星的大气层可能会非常厚，因此会产生强烈的温室效应，导致星球表面太热而不适宜生存。

但是 Günther 说，这个新行星系统很有可能承载着比 TOI 270 d 行星更远的其他行星，而那个行星很可能位于宜居带内。d 行星的轨道为 11 天，距恒星约 1000 万公里。Günther 表示，考虑到这颗恒星相对较小，而且相对凉爽，大约是太阳的一半。所以，它的宜居带可能从 1500 万公里开始。

诚然，即使有这样一颗行星存在于这一区域内，对于它是否适合居住，还取决于许多其他参数，例如它的大小、质量和大气条件等。

幸运的是，研究团队在他们的论文中写道：“新的行星系统 TOI 270 非常适合未来对宜居星球的搜索，因为它特别安静。”研究人员计划将其他仪器，包括即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb）的目光聚焦在 TOI 270 上，以进一步确定这三颗行星的各种特性，并在该恒星的宜居区内寻找更多的行星。

“TOI 270 是系外行星科学家们的迪斯尼乐园，‘TESS’的主要任务之一就是探索发现。”Günther 说，“这是一个特殊的实验室，原因不止一个——而是它近乎满足了所有（太空探索）的要求。”

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参考：

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