最像地球的系外行星或失去大气层
## 最有可能存在生命的类地行星之一，可能终究没有大气层
“我们曾报告发现甲烷的迹象，但问题是：这些甲烷是来自行星大气中的分子，还是来自宿主恒星？”
七颗类地行星环绕着TRAPPIST-1恒星运行。
（图片来源：NASA/JPL-Caltech）
科学家们从著名的TRAPPIST-1系统中一颗行星的最新观测中得到了一些玩笑般的线索——这颗星球可能有、也可能没有能够维持生命所需液态水的大气层。
TRAPPIST-1e是七颗地球大小的系外行星之一，在距离地球约40光年之外，它们紧密地围绕着一颗比太阳更小、更暗的冷红矮星运行。
该行星位于该系统的“宜居带”内，那里的温度可能允许液态水存在——但这仅当行星拥有大气层时才成立。
早期詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的观测甚至暗示可能存在大气层，发现了微弱的甲烷迹象，而甲烷在地球上来自生物体，并与土星阴霾笼罩的卫星泰坦（土卫六）上的复杂化学过程有关。
但科学家现在表示，那些最初的线索很可能具有误导性。
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詹姆斯·韦伯太空望远镜发现了岩石系外行星存在大气层的最强证据：“它就像一个湿漉漉的熔岩球”
一颗“超级蓬松”的系外行星正在失去其大气层，詹姆斯·韦伯太空望远镜进行了观测
TRAPPIST-1系统中的哪颗系外行星可能宜居？科学家通过建模研究该恒星以寻找答案
“根据我们最近的工作，我们认为先前报道的、暗示存在大气层的微弱信号，更可能是来自宿主恒星的‘噪声’，”亚利桑那大学月球与行星实验室助理教授苏克里特·兰詹在一份声明中表示。
“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。
”
这篇新论文使用详细的计算机模拟来测试TRAPPIST-1e是否真的能够维持一个富含甲烷、类似泰坦的大气层。
结果表明，在像TRAPPIST-1这样活跃的小型红矮星周围，行星上的甲烷会被摧毁得比泰坦上快得多——任何可能的地质过程都无法及时补充。
最新发现基于9月份发表的两篇论文，这两篇论文分析了JWST在2023年对TRAPPIST-1e的观测。
在四次独立的凌日事件（行星经过其恒星表面）中，JWST的近红外光谱仪（NIRSpec）记录下了星光中微妙的变化，这些变化原理上可以揭示大气中的化学物质。
这些数据与一个以氮气和甲烷为主、缺乏二氧化碳的大气模型相符，从而有效排除了类似金星或火星的大气层。
但信号在每次凌日之间差异显著，暗示测量结果受到了恒星本身的污染。
TRAPPIST-1比太阳更小、更冷、更暗，其温度低到足以在恒星自身的大气中形成包括甲烷在内的气体分子。
“我们曾报告发现甲烷的迹象，但问题是：这些甲烷是来自行星大气中的分子，还是来自宿主恒星？”兰詹在声明中说。
在论文中，兰詹和他的团队模拟了甲烷在TRAPPIST-1e环境中实际能存续多长时间。
他们发现，虽然泰坦上的甲烷可以存续1000万到1亿年，但TRAPPIST-1e上的甲烷只能维持约20万年。
研究指出，该行星接收到的紫外线辐射远比泰坦多，导致甲烷被分解的速度快数千倍。
研究人员表示，这使得科学家极不可能恰好在行星处于富甲烷阶段观测到它，除非甲烷以极高且持续不断的速率被补充。
维持类似泰坦的甲烷水平，需要TRAPPIST-1e在甲烷生成上超过泰坦——这是一个不合理的场景，将要求不间断的全球性火山活动、来自冰质内部的灾难性甲烷释放，或持续的行星表面更新。
研究指出，即使采用最宽松的假设，这些过程也无法完全解释所需的甲烷供应量。
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TRAPPIST-1系统中的哪颗系外行星可能宜居？科学家通过建模研究该恒星以寻找答案
因此，研究团队得出结论，需要进行更严格的分析和更多观测，以确定TRAPPIST-1e是否真的有大气层，以及JWST发现的那些疑似甲烷信号究竟是来自行星，还是仅仅是恒星的伪影。
“关于TRAPPIST-1e的基本论点是：如果它有大气层，它就是宜居的，”兰詹在声明中说。
“但目前，首要问题必须是：‘它到底有没有大气层？’”
尽管面临挑战，TRAPPIST-1e仍然是太阳系外最有希望的潜在宜居世界之一。
然而，JWST是在第一颗系外行星被发现之前设计的，在探测地球大小行星的大气层时，其探测能力已接近极限。
未来的仪器可能有助于解开这些令人困惑的信号。
美国国家航空航天局（NASA）即将执行的“潘多拉”任务，计划于2026年发射，将同时观测恒星和行星，以更好地区分恒星和大气层的特征。
研究人员还在计划一次罕见的双凌日观测，届时TRAPPIST-1e和最内侧的行星TRAPPIST-1b将同时凌星。
已知TRAPPIST-1b没有大气层，因此将其“干净”的信号与TRAPPIST-1e的信号进行比较，可以揭示哪些特征属于恒星，哪些（如果有的话）来自TRAPPIST-1e的大气层，科学家们表示。
“这些观测将使我们能够区分恒星的效应和行星大气中发生的事情——如果它确实有大气层的话，”兰詹说。
这篇关于上述结果的论文于11月3日发表在《天体物理学杂志快报》上。
作者简介：
莎米拉·库图努尔是一位驻印度班加罗尔的独立太空记者。
她的作品也出现在《科学美国人》、《科学》、《天文学》和《生活科学》等刊物上。
她拥有波士顿东北大学新闻学硕士学位。
宜居带中的TRAPPIST-1e行星被疑没有大气，生命到底能否存在，真相扑朔迷离
“第二地球”候选者TRAPPIST-1e：最新研究指甲烷信号可能是恒星噪声，大气层存在与否成谜
BY:Sharmila Kuthunur
FY:栖岩
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引力弹弓不用遵守能量守恒定律？为什么绕着行星转一下可以加速？
核废料是人类长期面临的一大难题，它数量庞大，其危险性会持续数万年之久，而人们至今仍未真正找到妥善处置的办法。既然如此，为什么不干脆用火箭把核废料送上太空，直接扔进太阳里烧掉呢？ 这个设想看似简单直接，但仔细分析就会发现问题重重。
首先，把核废料装上火箭本身就极其危险。
火箭在发射过程中偶尔会发生爆炸事故，一旦装载核废料的火箭在升空时爆炸，就会瞬间变成一枚威力巨大的"脏弹"，把放射性物质散布到广阔区域，后果不堪设想。
不过，除了发射风险之外，还有一个更为根本的原因——想要真正把物体送进太阳，其实非常非常困难。
乍看上去，飞向太阳应当是件容易的事，毕竟太阳的引力一直在把万物往它那里拉。
然而事实并非如此。
地球以及地球上的一切物体，都在以极高的速度绕着太阳做侧向运动。
当我们朝太阳"下落"的同时，也在以惊人的横向速度从它旁边掠过，结果就是一次次与太阳擦肩而过。
要想真正撞进太阳，就必须把这种侧向速度降下来，让飞行器不再横着飞。
而且这种减速必须彻底——只要还残留哪怕一点点侧向速度，飞行器就会与太阳失之交臂，绕着它兜一圈甩出去，而不是一头栽进去。
那么，需要把速度降低多少呢？ 地球连同地球上的一切，都在以大约每秒30公里的速度围绕太阳运行。
这意味着，要让飞行器停止绕日运动、直接坠入太阳，就必须让它相对于地球以每秒30公里的速度向后加速，才能抵消这份公转速度，实现"太阳跳水"。
而且必须减到几乎为零，一点都不能剩。
每秒30公里究竟有多快？做个对比就一目了然。
从地球轨道出发，只需要比地球再快约每秒11公里，就足以彻底摆脱太阳的引力束缚，飞出整个太阳系。
换言之，把飞行器送出太阳系，比让它撞进太阳还要容易得多。
这一点值得再重复一遍：从能量消耗的角度看，前往其他恒星所需要的加速度，竟然比抵达身边这颗太阳还要小。
听起来匪夷所思，但事实确实如此。
而事情还可以变得更加违反直觉。
由于天体引力的强弱与距离密切相关，物体离太阳越近，所在轨道就越小，绕太阳的公转速度也就越快。
以太阳系的行星为例，水星绕太阳一圈的速度大约是地球的一点五倍，而遥远的冥王星速度只有地球的六分之一。
这就带来一个有趣的推论：从水星出发反而比从地球出发更难撞进太阳，尽管水星离太阳近得多。
原因在于，要在水星轨道上停下来，飞行器需要以每秒48公里的速度向后加速，比在地球轨道上所需的每秒30公里还要大得多。
相反，从冥王星轨道出发反而轻松得多——只需要以每秒5公里的速度反向加速，就足以让飞行器摆脱缓慢的公转速度，径直坠入太阳。
正因为如此，如果单纯依靠火箭动力来完成撞日任务，最高效的做法反倒是先把飞行器送到外太阳系去。
因为在外太阳系公转速度大幅降低，随后再进行第二次点火，抵消掉那微弱的横向速度，飞行器就能沿着近乎笔直的路径直接落向太阳。
这也正是美国国家航空航天局早期在规划太阳探测任务时，之所以曾提出让探测器先飞往木星轨道的原因——绕道外太阳系反而更容易减速、更容易接近太阳。
不过，任务规划人员最终并未采用这一方案，而是选择让探测器多次借助金星的引力弹弓效应逐步减速，从而节省宝贵的燃料，一步步靠近太阳。
至于引力弹弓具体是如何运作的，那就是一个值得单独展开的话题。
它是人类发射太空探测器时经常会使用到的一种加速方式，简单来讲，这种方式能够利用行星的引力把探测器"甩"出去，从而为探测器提供额外的速度。
借助这一手段，探测任务所需要的燃料和飞行时间都能被大幅压缩，因此几乎成了深空探测的标配技术。
不过，如果对这个过程稍作推敲，就会发现它并不像"绕一圈就加速"那样简单。
在多数人的印象中，引力弹弓的画面大致是这样的：探测器首先朝着某颗行星飞近，然后被行星的引力抓住、绕着它转上一圈，等到被甩出来的时候，速度就比进入时更快了。
听起来顺理成章，可只要多想一步，就会隐隐觉得有点不对劲。
问题的关键在于能量守恒。
当探测器靠近行星时，行星的引力做正功，探测器会被加速；可当它绕过近拱点、再从行星旁边远离时，同一份引力又会做负功，把刚刚获得的动能重新拉回去。
一进一出、加加减减，探测器相对于行星的速度理应回到原点，怎么会平白多出一截呢？ 真正让这个"魔术"成立的，是参考系的切换。
相对于行星本身，探测器的速率进出确实几乎不变，弹弓过程只改变了它的飞行方向；但相对于太阳来说，行星本身也在高速公转，探测器借用的其实是行星绕日运动的那份动能。
行星在把探测器"甩"出去的同时，自身的公转速度会被极其微弱地拖慢一点，只不过行星的质量远远大于探测器，这份损失小到根本无法察觉。
所以，引力弹弓从来没有违反能量守恒定律，它只是把行星公转的动能借了一小勺给探测器。
理解了这一点，再回头看撞日任务为何要反复利用金星减速，也就顺理成章了——同样是引力弹弓，一次次借用行星的动量，就能把公转速度这道最难迈过去的坎，一点点悄悄磨掉。
一光年有多远？人类探测器飞了50年，才飞了一光天？
一光年到底有多远？为什么人类的探测器飞了快五十年，却连这段路的百分之一都没走完？ 更扎心的是，就算你真的飞到一光年外，也还没到最近的另一颗恒星。你甚至可能还在太阳系外围，连这片家门口的荒地，都没有彻底穿过去。
你肯定听过答案：一光年，大约九万四千六百亿公里。
可这个数字太大了。
多念一个零，少念一个零，对你的感觉几乎没有区别。
所以这一次，我们换一把尺子。
把太阳缩成一颗直径两点五厘米的玻璃球，放在你面前。
地球跟着缩小，只剩一粒细沙那么大。
你把它放到距离玻璃球两米七的位置，地球轨道就摆好了。
接下来往外走。
走过木星、土星，一直走到八十多米外，你终于放下海王星。
整个八大行星的地盘，看起来也就一个足球场的尺度。
那么，一光年的刻度，应该放在哪里？球场外面？隔壁街道？还是城市另一头？ 都不够。
你得从这颗玻璃球出发，走出去大约一百七十公里。
记住，地球才在两米七外。
海王星才在八十多米外。
而你现在要跨过的，是一段足以连接两座城市的距离。
沿途绝大多数地方，连一颗行星都没有。
你以前看到的太阳系示意图，把行星挤得整整齐齐，却很难让你真正感受到，它们之间到底空成什么样。
如果把人类的探测器，也放进这套模型呢？ 旅行者一号，一九七七年出发，掠过木星和土星，一路飞向太阳风影响之外。
它每秒能飞十七公里。
你眨一下眼，它就已经越过一座城市的一部分。
可持续飞行近半个世纪，它在这套模型里，也不过走到距离玻璃球几百米的地方。
前面那条通往一光年的路，依然长得几乎看不到尽头。
按每秒十七公里算，飞完一光年，需要大约一万七千六百年。
你出发时留下的城市，可能已经消失。
你说的语言，可能早就没人听得懂。
而飞船，还在赶路。
你可能觉得，这不公平。
旅行者一号毕竟是几十年前的技术。
换一台快得多的探测器，总能把时间压下来吧？ 帕克太阳探测器，在最接近太阳时，速度能达到每小时约六十九万公里。
假设它能一直保持这样的速度，飞完一光年，仍然需要一千五百多年。
而且，这已经是一个过于理想的假设。
帕克的极速，来自它沿轨道冲向太阳时的加速。
离开太阳之后，它会减速。
那个惊人的纪录，不能直接变成一张通往恒星的车票。
不过，先让我们跳过这些困难。
假设未来的你，终于抵达一光年外，在那里建起了一座太空站。
你回头看，太阳还看得见吗？ 看得见。
它不会彻底淹没在星海里，仍然会是一颗非常明亮的星。
但你熟悉的金色圆盘消失了，剩下的，只是一个指向家的光点。
抵达这里的阳光，比地球附近微弱了约四十亿倍。
能看见它，不代表还能靠它照亮身边的世界。
就像远处一盏灯，你知道它亮着，脚下却依旧一片漆黑。
至于地球，那颗你想念的蓝色星球，肉眼已经根本找不到。
它自己不会发出可见光，只能反射太阳的光。
那一点微弱的亮度，几乎淹没在太阳旁边。
更让人难受的是，就算设备足够好，让你看清了家乡，你看到的，也是一年前的地球。
因为光从那里来到你的眼睛，已经走了整整一年。
这时候，你想给家里发一条消息。
今天是家人的三十岁生日。
你对着镜头说出生日快乐，按下发送。
消息离开天线，穿过黑暗，等它抵达地球，那个人已经三十一岁了。
对方看完，立刻回复一句谢谢。
你再收到这两个字时，又过去一年。
一来一回，两年。
这里最奢侈的东西，可能就是一次普通的聊天。
你问家里今天怎么样，等到回答抵达，那个今天，早就变成了两年前。
你换更好的天线，能让画面更清楚，声音更清晰，却不能把这一年变成一秒。
无线电和激光，在真空中都以光速传播。
设备可以升级，距离带来的等待，却不会自动消失。
如果太空站突然出了故障呢？你向地球求救，就算那边的人收到后立刻想出解决办法，操作指令也要等两年，才能回到你手里。
真正走进星际空间，你得先学会自己解决问题。
因为在这里，连一句别着急，都可能来不及。
可一光年外，到底有什么在等你？ 没有一堵墙，没有一条天然边界，也没有一颗刚好停在那里、等你登陆的星球。
这只是人类在宇宙里画下的一道刻度。
我们认为，远离行星轨道的地方，还分布着奥尔特云中的冰冷天体。
它的范围仍有不确定性。
一光年的终点，甚至可能还没有超出这片遥远的区域。
穿过太阳风形成的边界，和离开所有绕太阳运行的天体，并不是同一件事。
而最近的另一颗恒星，比邻星，距离我们约四点二四光年。
你费尽力气走完这一光年，连去它那里的四分之一路程，都还没走到。
所以，下次再听见一光年，不妨想想那颗玻璃球。
地球在两米七外，你站在一百七十公里外。
脚下没有路灯，没有补给，也没有能立刻回答你的人。
而这段让人类飞上一万多年、让一句问候往返两年的距离，在宇宙里，却只是尺子上最开始的一个刻度。
