在近些年来,针对系外行星大气的研究一直是天文学和行星科学领域的热门话题。TRAPPIST-1系统因其包含多颗类似地球的岩质行星而备受关注,尤其是其中的TRAPPIST-1b和TRAPPIST-1c,这两颗行星的邻近位置使得它们成为研究行星大气及气候条件的理想目标。近日,借助詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)先进的红外成像与观测能力,科学家们首次获取了这两颗行星的热相曲线,进而揭示了它们大气层的关键特征。通过JWST的中红外成像仪(MIRI)以15微米波长对TRAPPIST-1b和1c的连续观测,科学家们探测到了日侧和夜侧的热辐射差异。TRAPPIST-1b显示出日侧极高的亮度温度,约为490开尔文,但夜侧几乎没有明显热辐射。日侧与夜侧的温差表明表面温度极不均匀,缺乏能够有效分布热量的厚重大气层。
夜侧的热辐射非常微弱,只有少量统计噪声水平的衍射信号,进一步佐证了它几乎没有保持大气,从而导致热量无法通过大气环流或风系统向夜侧传输。同样,TRAPPIST-1c的观测结果显示了相似的热行为。虽然它的日侧亮度温度较低,大约为369开尔文,但夜侧辐射水平依旧极低,与TRAPPIST-1b差异不大。这种热辐射分布同样暗示1c缺乏厚重、含有绿色温室效应的大气层。科学团队通过对行星表面和大气模型的对比分析,强烈排除了1巴及以上表面压力且具有效温室效应的厚重大气存在可能。此状态表明,1b极不可能拥有任何显著的大气层,而1c虽可能拥有非常稀薄的氧气主导型大气,但整体气氛稀薄且温室效应微弱,要么像1b一样几乎无大气,同时具备较高反射率的表面特征。
这些发现对理解TRAPPIST-1系统内行星的演化路径和其大气层保持能力提供了全新视角。众所周知,类地行星能否维持浓密大气,是决定其表面是否存在液态水和潜在适居环境的核心因素。尽管TRAPPIST-1b和1c在化学成分方面可能相似,它们表现出的截然不同的气候条件提示了复杂且多元的行星演化过程,例如恒星辐射的长期剥离作用、行星引力和地质活动的差异都可能导致大气流失与残留。詹姆斯韦伯望远镜的这次探测工作标志着在系外行星大气研究领域的重大飞跃。以往基于地面和低轨望远镜的数据只能提供有限的气候信息,而JWST的高灵敏度和解析能力使得科学家可以直接探测行星热辐射,精细分析不同天体的环境条件与气候机制。这不仅加强了对TRAPPIST-1系统的理解,也为未来在其他潜在适居区内类地行星大气的搜索和分析奠定了基础。
关注TRAPPIST-1b和1c的热相曲线还展示了行星表面的大致类型。TRAPPIST-1b极高的日侧温度和无夜侧热量散布特征与缺乏大气的火山岩性超镁铁质地表相符。超镁铁质岩石因其独特反射率和热容低,能够承受极端温差,且缺失大气层加速其热辐射变化。TRAPPIST-1c较低的日侧温度则暗示其表面可能较为反射,或偶有稀薄气氛存在帮助调节温度。行星大气的极薄状况促进了对行星外部环境剧烈变化的理解。作为一颗红矮星的伴星,TRAPPIST-1发出高能辐射和恒星风,极易剥离周围行星的轻质大气。
随着时间推移,行星表面大气可能经历蒸发和逃逸,最终形成今日观察到的无厚重大气状态。这种现象不仅影响着TRAPPIST-1b和1c,也为了解近红矮星主序星旁行星的适居潜力提供了参考。未来,借助JWST和其他即将部署的天文观测设备,科学家还将持续探测TRAPPIST-1系统中其他行星、尤其是那些位于传统适居带内的行星大气,以验证它们是否能够维持稳定的大气层和潜在液态水环境。更深入的光谱分析和热辐射测量将帮助揭示这些遥远世界的气候动态和演化历史。同时,这些成果也激发了关于行星大气起源、维持以及毁灭过程的理论研究,推动了天体物理学和行星科学的交叉融合。综上所述,JWST对TRAPPIST-1b和1c的热相曲线观测不仅否定了这两颗行星拥有厚重大气层的可能,也进一步凸显了红矮星系内行星气候环境的复杂性和多样性。
这对未来外星生命探索路线的制定和系外行星研究具有深远意义,标志着人类在追寻类地宜居世界道路上取得了又一重要突破。随着观测技术的进步和数据积累,科学界将不断深化对宇宙中行星气候与适居性条件的理解,期待在不久的将来能够发现真正具备适宜生命存在条件的遥远星球。 。
