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文章来源：https://www.nasa.gov/feature/the-7-rocky-trappist-1-planets-may-be-made-of-similar-stuff


翻译：汪荣鑫


校译：牧夫天文校对组


编排：陈宏宇


后台：库特莉亚芙卡 李子琦 徐⑨坤 胡永葳


测量一颗行星的质量和直径可以揭示其密度，这可以为科学家提供关于其组成的线索。科学家们现在知道了七颗TRAPPIST-1行星的密度，其精度高于宇宙中除我们太阳系以外的任何其他行星。


Credits: NASA/JPL-Caltech


大约40光年之外的红矮星TRAPPIST-1是七颗地球大小的行星的母星，这七个岩石兄弟组成了迄今发现的最大的行星群，是宇宙中多种多样的行星系统之一。


1月22号，在《行星科学》杂志上的一项新研究表明，TRAPPIST-1的行星的密度非常相似。这可能意味着它们都含有大约相同比例的、被认为构成大多数岩石行星的物质，如铁、氧、镁和硅。但是如果是这样的话，这个比例肯定与地球的有显著的不同：如果和地球的构成相同，TRAPPIST-1行星的密度要低8%。基于这一结论，论文作者假设几种不同的成分混合物，可以符合观测到的TRAPPIST-1行星密度。


这些行星中的一些从2016年开始为人所知，当时科学家宣布他们在智利使用凌星行星和小行星望远镜（Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope, TRAPPIST）发现了三颗围绕TRAPPIST-1恒星的行星。NASA现已退役的斯皮策太空望远镜与地面望远镜合作，随后的观察证实了两颗原始行星，并发现了另外五颗。哈勃望远镜和开普勒太空望远镜（现已退役）也对该系统进行了研究。


所有七颗TRAPPIST-1行星都是通过凌星法发现的。因为它们离恒星非常近，以至于轨道半径比水星的还小。它们相对于恒星太小太暗，科学家们不能直接看到行星，但由于行星在恒星前面穿过时会导致恒星观测亮度的下降，他们就据此确定七颗TRAPPIST-1行星的位置。


对星光下降的重复观察结合对行星轨道时间的测量，使天文学家能够估计行星的质量和直径，进而用于计算它们的密度。以前的计算确定行星的大小和质量大致相当于地球，因此也必须是岩石行星，而不是木星或土星那样的气态行星。


铁的统治


科学家对一颗行星的密度了解得越精确，他们就越能了解它的组成。例如镇纸可能和一个棒球差不多大，但通常要重得多。尺寸和重量一起揭示了每个物体的密度，由此可以推断棒球是由较轻的东西（绳子和皮革）制成的，而镇纸是由较重的东西（通常是玻璃或金属）制成的。


我们太阳系八大行星的密度相差很大。膨胀的、以气体为主的巨行星——木星、土星、天王星和海王星——比四颗岩石行星更大，但密度要小得多，因为它们主要由氢和氦等较轻的元素组成。甚至四颗岩石行星的密度也有所不同，这是由行星的组成和行星本身的引力造成的压缩决定的。通过减去重力的影响，科学家可以计算出行星的未压缩密度，并有可能了解更多关于行星组成的信息。


行星的密度由它的组成和大小决定，引力又压缩了行星增加了密度。未压缩的密度根据引力的影响进行调整，可以揭示各种行星的组成。


Credits: NASA/JPL-Caltech


七颗TRAPPIST-1行星拥有相似的密度——其值相差不超过3%。这使得这个系统与我们自己的系统有很大的不同。TRAPPIST-1行星与地球和金星之间的密度差异可能看起来很小——大约8%——但在行星尺度上是显著的。例如，根据这项研究，解释TRAPPIST-1行星密度较低的一个方法是，它们的组成与地球相似，但铁的百分比较低约为21%，而地球为32%。


或者，TRAPPIST-1行星上的铁可能与大量氧气混合，形成氧化铁或铁锈。额外的氧气会降低行星的密度。火星表面的红色来自氧化铁，但像它的三个太阳系的岩质兄弟一样，它有一个由未氧化的铁组成的核心。相比之下，如果TRAPPIST-1行星的密度较低完全是由氧化铁引起的，这些行星将会生锈，不能有实心铁芯。


华盛顿大学的天体物理学家、这项新研究的主要作者埃里克·阿戈尔（Eric Agol）表示，答案可能是两种情况的结合——少些铁，多些氧化铁。


该小组还研究了每颗行星的表面是否会被水覆盖，水甚至比铁锈还轻，这将改变行星的整体密度。水占四颗靠外的TRAPPIST-1行星质量的5%，相比之下，水只占地球总质量的不到千分之一。


因为它们离恒星太近，在大多数情况下水不能保持液态，所以三颗靠内TRAPPIST-1行星需要像金星这样的热而致密的大气层，这样水就可以以蒸汽的形式留在行星上。但是阿戈尔说，这种解释似乎不太可能，因为所有七颗行星都有足够的水来达到如此相似的密度是一种巧合。


TRAPIST-1系外行星的三种可能内部结构。科学家对一颗行星的密度了解得越精确，他们就越能缩小该行星内部的可能性。所有七颗行星的密度都非常相似，因此它们很可能有相似的组成。


Credits: NASA/JPL-Caltech


苏黎世大学的天体物理学家、该论文的合著者卡罗琳·多恩（Caroline Dorn）说：“夜空中布满了行星，直到最近30年，我们才开始揭开它们的神秘面纱。TRAPIST-1系统很吸引人，因为在这颗恒星周围，我们可以了解单个系统中岩石行星的多样性。事实上，我们也可以通过研究一颗行星的邻居来了解更多，所以这个系统非常适合这种情况。”


责任编辑：郭皓存


牧夫新媒体编辑部