系外行星

TOI 700系统的三颗行星围绕着一颗小而冷的M矮星运行。TOI 700d是TESS发现的第一个地球大小的宜居带。 影像来源:NASA’s Goddard Space Flight Center NASA的凌日系外行星勘测卫星(TESS)在其恒星的宜居带发现了第一颗地球大小的行星。宜居带是指在适宜的距离范围内，适宜液态水存在的星球。科学家们利用NASA的斯皮策太空望远镜确认了这一名为TOI 700d的发现，并模拟了这颗行星的潜在环境，以帮助未来的观测。 迄今为止，TOI 700 d是在恒星的宜居带中发现的仅有少数几个地球大小的行星之一。其他还包括TRAPPIST-1系统中的几颗行星以及NASA开普勒太空望远镜发现的其他行星。 “ TESS的设计和发射是专门为寻找围绕附近恒星运行的地球大小的行星而设计的，”位于华盛顿的NASA总部天体物理学部门主管Paul Hertz说。“在太空和地球上，用更大的望远镜追踪附近恒星周围的行星是最容易的。发现TOI 700 d是TESS的一项关键科学发现。斯皮策太空望远镜确认了这颗行星的大小和适居带的状态，对斯皮策来说是另一项胜利，因为它将于今年1月结束科学运作。” TESS的设计和发射是专门用来寻找地球大小的行星围绕附近的恒星运行。 NASA的凌日系外行星勘测卫星(TESS)在其恒星的宜居带发现了第一颗地球大小的行星。宜居带是指在适宜的距离范围内，适宜液态水存在的星球。科学家们利用NASA的斯皮策太空望远镜确认了这一名为TOI 700d的发现，并模拟了这颗行星的潜在环境，以帮助未来的观测。 影像来源：NASA’s Goddard Space Flight Center TESS每次对大片天空进行27天的监控，这些区域被称为扇区。从我们的角度来看，这种长时间的凝视使卫星能够跟踪由一颗绕轨道运行的行星在其恒星前方过境所引起的恒星亮度变化，这一事件被称为凌日。 TOI 700是一颗小而冷的M矮星，位于100光年之外天南星座之一的剑鱼座。它的质量和大小大约是太阳的40%，表面温度大约是太阳的一半。这颗恒星出现在任务第一年TESS观测到的13个扇区中的11个中，科学家们通过它的三个行星捕捉到了多次凌日现象。 这颗恒星最初在TESS数据库中被错误分类为与我们的太阳更相似，这意味着这些行星看起来比实际更大、更热。几名研究人员，包括和TESS团队成员一起工作的高中生奥尔顿·斯宾塞(Alton Spencer)，发现了这个错误。 “当我们修正了这颗恒星的参数后，它的行星尺寸减小了，我们意识到最外层的行星与地球差不多大，而且位于宜居带。”芝加哥大学的研究生艾米丽·吉尔伯特（Emily Gilbert）说。“此外，在11个月的数据中，我们没有看到恒星产生耀斑，这增加了TOI 700d适宜居住的机会，并使其更容易建立其大气和表面条件的模型。” 吉尔伯特和其他研究人员在火奴鲁鲁举行的美国天文学会第235次会议上公布了他们的发现，三篇论文（吉尔伯特领导的其中一篇论文）已提交给科学期刊。 最里面的行星称为TOI 700b，几乎与地球大小一样，可能是岩石构成的。每10天完成一次轨道运行。中间的这颗行星，TOI 700c，比地球大2.6倍，大小介于地球和海王星之间，每16天绕轨道运行一次，很可能是一个以气体为主的星球。TOI 700d是太阳系中已知的最外层行星，也是唯一一颗位于宜居带的行星，体积比地球大20%，每37天绕轨道运行一次，并从其恒星接收太阳向地球提供的86％的能量。人们认为所有行星都被潮汐锁定在其恒星上，这意味着它们每绕一个轨道旋转一次，以使一侧在日光下不断沐浴。 马萨诸塞州剑桥市天体物理中心|哈佛和史密森尼中心的天文学家约瑟夫·罗德里格斯带领一组科学家，要求用斯皮策进行后续观测，以确认TOI 700d。 “考虑到这一发现的影响——这是TESS发现的第一颗地球大小的宜居带行星——我们真的希望我们对这个系统的理解尽可能具体。”罗德里格斯说。“斯皮策在我们预期的时间看到了TOI 700d的凌日。这是对任务传承的极大补充，它帮助确认了两颗TRAPPIST-1行星，并确定了另外五颗。” 斯皮策的数据增强了科学家们的信心，他们相信TOI 700d是一颗真正的行星，并将其轨道周期的测量值提高了56%，大小提高了38%。它还排除了其他可能导致凌日信号的天体物理学原因，比如在星系中存在一个更小、更暗的伴星。 罗德里格斯和他的同事们还利用全球拉斯坎布雷斯天文台网络中1米地面望远镜的后续观测，将科学家对TOI 700c的轨道周期和大小的信心分别提高了30％和36％。 由于TOI 700在附近很亮，而且没有恒星耀斑的迹象，该系统是目前地面天文台精确测量质量的首选。这些测量结果可以证实科学家的推测，即内行星和外行星都是由岩石构成的，而中间的行星是由气体构成的。 未来的任务可能能够确定这些行星是否有大气层，如果有的话甚至可以确定它们的组成。 尽管TOI 700 d的确切条件尚不清楚，但科学家可以利用当前信息（例如行星的大小和它所环绕的恒星的类型）来生成计算机模型并进行预测。位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究人员对TOI 700 d的20种潜在环境进行了建模，以评估是否有任何版本会导致表面温度和压力适于居住。 他们的三维气候模型研究了各种表面类型和大气成分，这些类型和大气成分通常与科学家认为可能适合居住的星球有关。由于TOI 700d被潮汐锁定在它的恒星上，这颗行星的云结构和风模式可能与地球截然不同。 其中一个模拟包括一个海洋覆盖的TOI 700d，其大气密度高，以二氧化碳为主，与科学家们推测的火星年轻时的环境相似。模型大气在面向恒星的一侧有一层厚厚的云。另一个模型将TOI 700d描绘成一个无云的、全陆地版的现代地球，风从行星的夜侧吹来，汇聚在直接面向恒星的点上。 当星光穿过行星的大气层时，它会与二氧化碳和氮等分子相互作用，产生独特的信号，称为光谱线。由大学空间研究协会戈达德大学访问助理Gabrielle Engelmann-Suissa领导的建模团队为TOI 700 d的20个建模版本生成了模拟光谱。 “总有一天，当我们拥有来自TOI 700d的真实光谱时，我们可以回溯，将它们与最接近的模拟光谱匹配，然后将其与模型匹配，”Engelmann-Suissa说。“这很令人兴奋，因为不管我们对这个星球发现了什么，它都将与我们在地球上看到的完全不同。” TESS是NASA的天体物理学探测任务，由麻省理工学院(MIT)领导和运营，由NASA的戈达德太空飞行中心管理。其他合作伙伴包括位于弗吉尼亚州福尔斯彻奇的诺斯罗普·格鲁曼公司、位于加州硅谷的NASA艾姆斯研究中心、马萨诸塞州剑桥的哈佛-史密森天体物理中心、麻省理工学院的林肯实验室、还有巴尔的摩的太空望远镜科学研究所。全世界有十多所大学、研究机构和天文台参与了这项任务。 位于加州帕萨迪纳的喷气推进实验室为位于华盛顿的NASA科学任务理事会管理斯皮策太空望远镜任务。科学运作是在帕萨迪纳加州理工学院的斯皮策科学中心进行的。太空行动基地设在科罗拉多州利特尔顿的洛克希德·马丁太空公司。数据存档于加州理工学院IPAC的红外科学档案。加州理工学院为NASA管理喷气推进实验室。 建模工作是由戈达德的塞勒斯系外环境合作项目资助的，该项目是一个多学科合作项目，汇集了专家来建立全面和复杂的计算机模型，以更好地分析当前和未来的系外行星观测。

NASA的凌星系外行星巡天望远镜（TESS）在L98-59系统中发现了三颗行星，上图显示了与地球和火星相比这三颗行星的大小，从左往右半径依次增大。 图片来源：NASA戈达德航天飞行中心 美国航空航天局（NASA）的凌星系外行星巡天望远镜（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）发现了一颗新的行星，大小介于火星和地球之间，绕着附近的一颗明亮、温度较低的恒星运转。这颗被称作L 98-59b的星球，标志着迄今为止TESS所发现的最小的行星。 除了L 98-59b，绕同一颗恒星运行的还有另外两颗行星。虽然这三个行星的尺寸现在都已经确定了，我们还需要用其他望远镜来进行更深入的研究，以确定这三颗行星是否具有大气层；如果有，则需要确定具体有哪些气体存在。L 98-59系统的发现，让已知小型系外行星（exoplanet，即太阳系以外的行星）的数量变为原来的两倍，这一类系外行星具有极佳的后续深入研究潜质。 “对TESS来说，这项最新的发现是一项工程上和科学上伟大的成就，” 天体物理学家韦塞林•科斯托夫（Veselin Kostov）说，“要研究小行星的大气层，需要有一个围绕明亮恒星的短轨道，但这样的行星很难被发现。L 98-59系统具有令人着迷的未来研究潜力。”科斯托夫来自NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德航天飞行中心（Goddard Space Flight Center）和加利福尼亚州山景城的地外文明探索（Search for Extraterrestrial Intelligence，SETI）研究所。 由科斯托夫作为主要作者的一篇相关论文，已于6月27日发表在《天文学杂志》（The Astronomical Journal）上，现已在网站上线。 NASA的凌星系外行星巡天望远镜（TESS）发现了一颗名为L 98-59b的系外行星，是迄今为止TESS所发现的系外行星中最小的一个，也是围绕附近一颗明亮恒星L 98-59的三个行星的其中一个。如本视频中的插图所示，云层占据着“金星带”（Venus zone），该区域是L 98-59系统中恒星表面向外的一片空间，其中的行星可能具有与金星类似的大气。系统中最外侧的行星也可能具有类似海王星的大气层。 视频来源：NASA戈达德航天飞行中心 [rml_read_more] L 98-59b的大小约为地球的80％，比TESS先前发现的最小记录保持者还要小大约10％。它的主星L 98-59是一颗M型红矮星（M dwarf），质量大约是太阳的三分之一，位于南方星座飞鱼座（Volans）之中，距离我们约35光年。虽然L 98-59b打破了TESS的最小系外行星观测记录，但在NASA开普勒卫星（Kepler satellite）收集的数据中，发现了几颗更小的行星，包括开普勒-37b（Kepler-37b），只比月球大了20％。 L 98-59系统中的另外两颗行星，L 98-59c和L 98-59d，大小分别是地球的1.4倍和1.6倍。TESS能顺利发现这三颗行星，都是由于每颗行星在TESS和它们的主星前面经过时，主星的亮度会周期性地下降。 每27天，TESS就会对一个24度×96度的天空区域（被称为“扇区”，sector）进行了监测，到今年7月，TESS将完成它第一年的观测，届时，南部天空将由13个扇区构成，而L 98-59系统将出现在其中的7个扇区里。科斯托夫的团队希望，TESS第一年的完整观测能让科学家完善已知的这三颗行星，并探寻更多未知的世界。 “如果在一个系统中，有不止一颗行星围绕恒星运行，它们就会在引力上相互作用，”来自戈达德航天飞行中心和马里兰大学帕克分校（University of Maryland, College Park）的天体物理学家乔纳森•布兰德（Jonathan Brande）说，“TESS将在数量足够多的扇区中观测到L 98-59，因此它或许能够探测到轨道运行周期在100天左右的行星。如果幸运之神对我们极其青睐，我们可能还会观察到未被发现的行星对目前已知行星的引力效应。”布兰德同时也是该论文的共同作者。 NASA最新的行星猎人，凌星系外行星巡天望远镜（TESS），对天空中的每个扇区都会监测一整个月，在行星从主星面前经过（成为“凌星”，transit，太阳系中的凌星即凌日）时，观察恒星光线强度的下降。TESS将分别绘制南部天空和北部天空的13个扇区，共26个。 视频来源：NASA戈达德航天飞行中心 像L 98-59这样的M型红矮星，占据着我们银河系所有恒星的四分之三，但这些恒星的质量还不到太阳的一半，也比太阳“凉爽”得多，表面温度还不到太阳的70％。其他著名的M型红矮星还有TRAPPIST-1，围绕它运行的有7个与地球大小相近的行星；以及我们最近的恒星邻居Proxima Centauri，它拥有一颗确认的行星。这些体积小、温度低的恒星在银河系中如此常见，因此科学家希望能了解更多以它们为中心形成的行星系统。 L 98-59b是这个行星系统中最靠里的那一颗，每2.25天就绕主星运行一周，它与系统中心的恒星距离如此之近，以至于它接收的来自主星的能量是地球从太阳所获得能量的22倍。 来源:NASA 三颗行星中间的那颗，L 98-59c，每3.7天公转一周，其接收的能量辐射约为地球的11倍。L 98-59d是迄今为止在该系统中已知的最外层的行星，每7.5天公转一周，沐浴在大约4倍于地球的辐射能量之中。 来源:NASA 这三颗行星没有一个是位于恒星的“宜居带”（habitable zone）内的，所谓恒星的“宜居带”，指的是在距离恒星的该范围内，行星表面可能存在液态水。然而，所有这三颗行星都落在了被科学家称为“金星带”（Venus zone）的范围内，“金星带”也是一个距离恒星的位置范围，在这个距离范围内，具有类似早期地球大气层的行星可能会经历迅速甚至失控的温室效应过程，从而转变为拥有与金星类似的大气层。从最外层第三颗行星的大小判断，它可能是与金星相似的岩石世界；也可能更像海王星，拥有一个小小的岩石内核，包裹在厚厚的大气层之下。 TESS的目标之一，就是建立一个小型岩石行星的目录，特别的是，这些行星公转轨道离主星很近，围绕的主星非常明亮；NASA即将发射的詹姆斯•韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）会利用这样一个目录进行行星大气研究。TRAPPIST-1系统中有四颗行星已经成为了首要候选者，科斯托夫的团队认为L 98-59系统中的行星也会被记入其中。 TESS任务将满足我们的两个愿望：理解我们来自何处，以及在宇宙中我们是否是生命唯一的存在。 “如果我们身处L 98-59系统之中，当我们观测太阳的时候，地球和金星的凌日现象会让我们认为这两颗行星几乎完全相同，但我们知道事实并非如此，”戈达德航天飞行中心的天体物理学家约书亚•施利德（Joshua Schlieder）说道，“为什么地球变得适合居住而金星没有，关于这个问题我们仍然有很多没弄清楚的地方。如果我们能够在其他星系中找到类似的例子，比如L 98-59，并对其进行研究，我们或许就能解开其中一些秘密。” 施利德也是论文的作者之一。 TESS是NASA天体物理学探索者计划（Astrophysics Explorer）中的一项任务，由位于马萨诸塞州剑桥市的麻省理工学院（MIT）领导和运行，由NASA戈达德航天飞行中心管理。其他合作伙伴包括位于弗吉尼亚州福尔斯彻奇的诺斯洛普•格鲁门公司（Northrop Grumman）、NASA位于加州硅谷的艾姆斯研究中心（Ames Research Center）、位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛 – 史密森天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）、麻省理工学院林肯实验室（Lincoln Laboratory），以及位于巴尔的摩的空间望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute），来自全世界的十几所大学、研究所和观察站参与了这项任务。 参考： https://exoplanets.nasa.gov/news/1587/tess-finds-its-smallest-planet-yet/