TRAPPIST-1行星家族:彻头彻尾的岩石?

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测量一颗行星的质量和直径可以揭示它的密度，这可以为科学家提供关于它的组成的线索。科学家们现在知道了七颗TRAPPIST-1行星的密度，其精度比宇宙中任何其他行星都要高，除了我们太阳系中的行星。来源:美国国家航空航天局/姓名。

科学家们越精确地测量行星的密度，就越能了解它的构成。TRAPPIST-1行星系统是迄今为止发现的最大一批与地球大小大致相同的行星，它让天文学家得以一窥宇宙中岩石世界(包括地球)可能的多样性。

2016年，一个国际科学家团队发现了这七人TRAPPIST-1天文学家利用地面和太空望远镜对行星进行了深入研究。新的研究结果，发表在行星科学杂志他们综合了这些数据，以精确地确定行星的密度。科学家的发现表明，这七颗行星可能都有相似的内部结构——不像地球。

TRAPPIST-1行星的密度测量报告被发现在与地球相同和低25%之间变化。然而，当考虑到行星的质量时，研究人员得出结论，它们都含有大致相同比例的物质——铁、氧、镁和硅——被认为构成所有岩态行星。

值得注意的是，它们的组成配方与地球的不同。TRAPPIST-1行星的密度都比它们的组成相同的情况下要小8%我们的地球。在这项研究中报告的精确测量使研究人员能够假设哪些大块成分的混合物可以给TRAPPIST-1行星提供密度，提供迄今为止最精确的系外行星内部图像。

加州大学圣地亚哥分校的Adam Burgasser是这项研究的合著者之一，也是自五年前首次发现TRAPPIST-1以来一直在研究它的天文学家之一。在此期间，科学家们用多个望远镜研究了这个行星系统，包括美国宇航局退役的望远镜开普勒太空望远镜而且斯皮策太空望远镜．斯皮策在去年退役之前，对该系统进行了超过1000小时的有针对性的观测。

行星的密度由它的组成和大小决定:重力会压缩行星的组成物质，从而增加行星的密度。未压缩密度根据重力的影响进行调整，可以揭示不同行星的组成比较。来源:美国国家航空航天局/姓名。

“TRAPPIST-1系统真的很了不起，因为所有七颗行星都是通过凌日法发现的，”Burgasser解释说。“行星在我们和它们的主恒星之间经过，我们通过恒星亮度的小幅下降来探测。虽然我们不能直接看到行星，但这些凌日提供了一种聪明的方法来测量半径和质量，从而测量每一个行星的平均密度。”

对星光下降的反复观测，以及对其时间的精确测量，是诀窍。凹陷的深度测量的是每颗行星相对于恒星的半径。下降的时间——通常与行星的轨道完美同步——实际上随着行星通过引力相互吸引而变化。

伯迦瑟解释说:“行星在经过时相互产生微小的拉力，结果它们在轨道上加速或减速。”“我们可以用我们的凌日计时测量来测量这些相互作用，因为这些变化是由引力引起的，而引力取决于质量，计时让我们可以用牛顿定律来确定行星的质量。”

铁的统治

在我们的太阳系中，八颗行星的密度相差很大。以气体为主的巨型行星——木星、土星、天王星和海王星——体积更大，但密度要小得多四个陆地世界．地球、金星和火星的密度相似，但水星的铁含量要高得多。尽管水星是太阳系中直径最小的行星，但它的密度在八大行星中仅次于地球。

另一方面，七颗TRAPPIST-1行星似乎都有相似的成分，这使得该系统与我们的系统截然不同。虽然TRAPPIST-1行星与地球、金星和火星之间8%的密度差异看起来很小，但在行星尺度上却很重要。例如，根据这项研究，一种解释是TRAPPIST-1行星的成分与地球相似，但铁的比例较低，约为21%，而地球的比例为32%。

这里展示的是TRAPPIST-1系外行星的三个可能的内部。科学家们对一颗行星的密度了解得越精确，他们就越能缩小这颗行星内部可能存在的范围。这七颗行星的密度非常相似，所以它们的成分可能相似。来源:美国国家航空航天局/姓名。

“核心中铁的减少会减少行星周围磁场的产生，”Burgasser说。“这对宜居性很重要，因为地球磁场是来自太阳的高能粒子的保护屏障之一。”

或者，TRAPPIST-1行星上的铁可能被注入了高浓度的氧气，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，但就像它的三个地球兄弟一样，它有一个由非氧化铁组成的核心。相比之下，如果TRAPPIST-1行星的低密度完全是由氧化铁引起的，那么这些行星整个都是生锈的，不可能有纯铁内核。

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)说，答案可能是两种情况的结合——总体上少铁和一些氧化铁。

研究小组还研究了每颗行星的表面是否会覆盖着比铁锈还轻的深海，这将降低行星的总体密度。如果是这样的话，水必须占到外四颗行星总质量的5%左右。相比之下，水只占地球总质量的不到千分之一。TRAPPIST-1内部的三颗行星距离恒星太近，在大多数情况下水不能保持液态，需要像金星那样有热而稠密的大气，在金星上，水可以以蒸汽的形式与行星结合。然而，阿戈尔说，这种解释似乎不太可能，因为七颗行星都有足够的水，具有如此相似的密度，这将是一个惊人的巧合。

苏黎世大学天体物理学家、该论文的另一位合著者卡罗琳·多恩(Caroline Dorn)说:“夜空中充满了行星，直到最近30年，我们才开始解开它们的奥秘。”“TRAPPIST-1系统很迷人，因为围绕这颗恒星，我们可以了解单个系统中岩态行星的多样性。实际上，我们可以通过研究一颗行星的邻居来更多地了解它，所以这个系统非常适合这样做。”

这项工作得到了NASA的支持，由JPL/加州理工学院颁发的NSF奖(批准号为no。AST-1615315)，通过加州大学圣巴巴拉分校卡弗里理论物理研究所的Exostar19项目(批准no.;NSF phy - 1748958);通过NExSS虚拟行星实验室，在美国宇航局天体生物学研究所合作(协议编号:no。NNA13AA93A)和NASA天体生物学项目(批准号:NNA13AA93A)。80 nssc18k0829)。TRAPPIST是由比利时(国家)科学研究基金会资助的一个项目，F.R.S.- FNRS(批准号为no。FRFC 2.5.594.09.F)。TRAPPIST-North是由Liége大学与马拉喀什Cadi Ayyad大学(摩洛哥)合作资助的一个项目;瑞士国家科学基金会(分别资助PP00P2-163967, PZ00P2_174028和200020_19203)。 Calculations were performed on UBELIX (http://www.id.unibe.ch/hpc), the HPC cluster at the University of Bern.

这项工作是在瑞士国家科学基金会支持的行星国家研究能力中心(NCCR)的框架下进行的，该研究利用了NASA的天体物理数据系统和加州理工学院NASA系外行星科学研究所提供的服务。该项目获得了欧盟“地平线2020”研究和创新计划的资助，由Marie Sklodowska-Curie资助(协议号为no. 1)。832738/ESCAPE)和欧洲研究委员会(资助协议号679030/WHIPLASH和803193/BEBOP)。其他支持机构包括格鲁伯基金会，欧盟第七框架计划下的欧洲研究委员会(FP/2007-2013)， ERC赠款(协议编号:no。336480)，以及由瓦罗尼亚-布鲁塞尔联盟资助的ARC协调研究行动补助金，以及美国宇航局(批准号为336480)。80NSSC18K0397)和华盛顿NASA空间资助联盟夏季本科生研究计划。