對於尋找其他恆星周圍地球的孿生兄弟甚至表親的行星搜尋天文學家來說，宇宙已經變得不再那麼孤獨。
要符合行星近親的資格，另一個世界必須是岩石行星，並且位於其恆星“宜居帶”中不太熱也不太冷的位置，沐浴在與地球大致相同量的星光中。在那裡——如果它擁有既不太稠密也不太稀薄的大氣層——這樣的世界可能會孕育溫和的氣候，生命之源液態水可能會彙集在湖泊、海洋中。正在進行的行星觀測統計資料表明，我們星系中數十億個世界可能符合這些微不足道的標準，但到目前為止，發現的符合映象地球的令人興奮的猜想的候選者還不到十幾個。
至少，在今天之前是這樣。在《自然》雜誌上，一個國際研究小組詳細介紹了七個與我們自身相當的世界的發現，它們圍繞著位於寶瓶座中 40 光年外的恆星 TRAPPIST-1 執行。其中三顆行星在 TRAPPIST-1 的宜居帶內執行，另外四顆行星在某些大氣條件下也可能能夠維持液態水和生命。所有行星看起來都與地球的大小、質量和成分大致相同。
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目前，TRAPPIST-1 的行星僅以其目錄符號為人所知——TRAPPIST-1 b、c、d、e、f、g 和 h，按它們與恆星的距離順序標記。這種情況很快可能會改變——當宇航員沉醉於研究並開始瞭解它們時，這些世界將呼喚名字。TRAPPIST-1 在宇宙尺度上離我們如此之近，擁有如此豐富的有希望的世界，註定將成為未來所有宜居行星搜尋的試金石。一些樂觀主義者表示，在十年內，對 TRAPPIST-1 的研究可能會為太陽系外生命的存在提供令人信服的證據。
“這是首次在恆星的宜居帶中發現如此多地球大小的行星，”比利時列日大學的天文學家邁克爾·吉隆說道，他是 TRAPPIST（凌星行星和微行星小望遠鏡）調查的負責人，這顆恆星由此得名。（該調查本身以比利時獨特的 僧侶釀造啤酒 命名。）“這是我們第一次不僅可以詳細研究四顆類地行星——水星、金星、地球和火星。我們現在又有了七顆……我們可能正處於從哲學角度回答有史以來最根本問題的邊緣，即生命在宇宙中有多麼頻繁。”
這項重大發現的最初跡象出現在 2015 年 9 月，當時 TRAPPIST 團隊探測到該系統中的 三顆行星，但也發現了更多潛伏在那裡的行星的誘人線索。為了找到它們，該團隊爭取了許多其他天文臺的幫助，最終得到了斯皮策太空望遠鏡的幫助，該望遠鏡在 2016 年 9 月和 10 月整整 20 天盯著這顆恆星，以收集更多資料。斯皮策的觀測最終在 2016 年 10 月 27 日揭示了另外四顆行星——該團隊用一輪 Trappist 啤酒慶祝了這一突破。
縮小的恆星，陰暗的世界
恆星 TRAPPIST-1 幾乎比木星還小，但重量是木星的 80 倍，年齡在 5 億到幾十億年之間。天文學家稱之為超冷 M 矮星——一種最小、最暗、最冷的恆星。相比之下，我們的太陽是一顆 G 矮星——一種恆星型別，其體積是 M 矮星的 12.5 倍，亮度是 M 矮星的 2000 倍，稀有度大約是 M 矮星的 20 倍；事實證明，宇宙更喜歡製造小恆星而不是大恆星。這顆恆星最裡面的世界 TRAPPIST-1 b 只需 1.5 天即可完成一次軌道執行，而最外面的 TRAPPIST-1 h 的軌道執行時間可能為 20 天，比水星到我們太陽的距離近五倍。所有這一切都意味著 TRAPPIST-1 的溫帶行星，像流浪者一樣緊緊圍繞著恆星，可能是宇宙中的常態，而像我們自己的行星系統則屬於例外。
所有七個世界都被探測到，是因為它們會凌星，這意味著當從地球上看時，它們會穿過恆星的表面，投下陰影，天文學家將這些陰影測量為恆星光線中微小的下降。相應下降的深度使天文學家能夠估計凌星行星的大小，而下降隨時間的重複出現提供了一種方法來確定行星的軌道週期及其與恆星的距離。對於 TRAPPIST-1 系統，由於其所有行星都非常靠近，它們也會相互擾動，產生共振的力相互作用，從而導致每個世界的凌星時間發生可測量的偏移，導致每次凌星都比在不受擾動的情況下提前或延遲到達。“透過測量這種變化，我們可以確定行星的質量，”麻省理工學院的博士後研究員和 TRAPPIST 團隊成員朱利安·德威特說。“透過精確瞭解行星的大小和質量，我們可以確定它們的整體密度，然後地球物理學家可以幫助我們更好地瞭解它們的內部。”根據這些測量，TRAPPIST 團隊估計所有行星都具有與地球相似的密度，因此可能是岩石行星，或者，也可能是具有由金屬和岩石組成的小而緻密的核心，周圍環繞著更厚更輕的水、冰和氣體層的行星。
劍橋大學的 TRAPPIST 合作者 Amaury Triaud 表示，從中間世界之一的表面來看，TRAPPIST-1 將是一個鮭魚色的球體，看起來比地球天空中的太陽大 10 倍，但亮度不會超過我們恆星在黃昏時分的亮度。您會感受到而不是看到它的大部分光線，這種光線在溫暖的、不可見的紅外線中達到峰值。時不時地，一顆鄰近的行星會從頭頂飄過，最近的行星在天空中看起來是地球滿月大小的兩倍。但恆星本身看起來是靜止不動的，因為 TRAPPIST-1 的所有七顆行星都處於如此近距離的軌道上，以至於它們都被潮汐鎖定，每軌道自轉一次，因此它們永遠將同一半球面朝向恆星，而另一半球面則處於永久的黑暗之中。天文學家過去認為，潮汐鎖定將是生命的喪鐘，因為空氣會在行星的黑暗面凍結，但現在懷疑即使是像火星一樣稀薄的大氣層也可能維持大氣環流，從而在半球之間傳輸熱量。如果它們有大氣層，無論 TRAPPIST-1 世界上的天氣如何，都可能總是颳風。
“超冷”機遇
M 矮星在宇宙中的普遍存在以及它們伴隨的世界的緊湊、縮小結構，使它們成為天文學家尋找凌星行星的理想目標。由於凌星僅在行星的軌道與我們的視線基本對齊時才會發生，因此它們非常罕見，天文學家必須監測數百顆恆星才能找到少數凌星世界。但是，行星離其恆星越近，凌星的機會就越大，而 M 矮星既是最多的恆星，也是最有可能擁有近距離行星的恆星。更重要的是，行星在較小恆星前凌星更容易被看到，因為它們會阻擋更大比例的恆星光線——而且沒有比超冷 M 矮星更小的普通恆星了。探測這種凌星非常便宜——TRAPPIST 僅由兩臺計算機控制的 60 釐米望遠鏡組成，它們的目標是附近的超冷 M 矮星。
事實上，一顆在附近的超冷 M 矮星前凌星的行星將阻擋如此大比例的恆星光，以至於一種原本難以捉摸的現象可以很容易地被看到：行星輪廓周圍的光環，是由星光穿過並環繞其高層大氣層而產生的。使用美國國家航空航天局的軌道執行的哈勃太空望遠鏡或其明年發射的 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，天文學家可以測量此類光環的波動顏色，以瞭解光線穿過時擊中了哪些分子，從而有效地嗅探凌星行星跨越光年的空氣。與直接成像明亮、附近類太陽恆星周圍宜居軌道上的地球大小行星的平行努力相比，天文學家認為這是尋找系外行星生命的捷徑——這種挑戰非常巨大，其解決方案可能在幾十年後。吉隆在設計 TRAPPIST 調查及其即將首次亮相的後繼者時就考慮到了所有這些，後繼者是由四臺地面一米望遠鏡組成的陣列，名為 SPECULOOS（恰如其分地以比利時流行的 一種餅乾 命名）。
吉隆說：“這正是我們實驗的全部目的，即專注於太陽系附近的超冷 M 矮星，以尋找和研究地球大小的凌星行星的大氣層。”“這些是唯一可以通過當前技術、哈勃和韋伯進行此類測量的目標。”
尋找生命的呼吸——或死亡
吉隆及其團隊已經使用哈勃望遠鏡 尋找並排除 了至少兩顆行星周圍存在非常厚的氫主導大氣層的可能性，這兩顆行星是最裡面的 TRAPPIST-1 b 及其相鄰行星 TRAPPIST-1 c。該團隊還在使用哈勃望遠鏡尋找行星上的水蒸氣跡象。吉隆說，如果天文學家使用韋伯更密切地觀察，捕捉到 TRAPPIST-1 系統中每顆行星 20 或 30 次凌星，望遠鏡將能夠梳理出幾種大氣氣體的存在（或不存在），這些氣體在地球上是診斷我們星球宜居性和生物圈的重要指標。
與哈勃望遠鏡一樣，韋伯望遠鏡也可以看到水蒸氣，但更加明確——足以推測全球海洋的存在。此外，它還可以看到二氧化碳並估計每顆行星的全球變暖溫室效應，從而估計其平均溫度。它還將密切關注臭氧——光合植物產生的氧氣的副產品——以及甲烷，一種厭氧細菌釋放的有機化合物。甲烷和氧氣混合在一起時是不穩定的——它們在行星空氣中的共同存在表明它們正在被某種看不見的來源不斷補充。“如果你在二氧化碳和水的存在下同時擁有臭氧和甲烷，你只有一個明顯的解釋，”吉隆說。“那就是生命。”
然而，很少有天文學家相信會輕易獲得如此確鑿的結果——如果真的能獲得的話。許多人認為，哈勃望遠鏡和後來的韋伯望遠鏡收集的資料更有可能描繪出一幅遠為不完整和混亂的景象，這隻能通過後代天文臺來解決。例如，哈佛大學的先驅行星獵手大衛·查博諾表示，TRAPPIST-1 作為超冷 M 矮星的地位可能會使在其行星上尋找氧氣變得複雜，他執行著另一項凌星調查，MEarth，目標是更大、更亮的 M 矮星。“光學波長是尋找行星大氣中氧氣跡象及其丰度的最佳位置，但 TRAPPIST-1 在光學光線下非常微弱，你需要那些恆星光子穿過行星的大氣層，”他說。相反，韋伯望遠鏡將在 TRAPPIST-1 的行星上尋找臭氧跡象，臭氧在紅外光下顯得最強，而恆星在紅外光下更亮——但根據查博諾的說法，僅憑這些測量無法輕易區分氧氣的丰度，從而幫助限制其起源。
瞭解行星大氣中氧氣的含量對於瞭解任何 M 矮星世界的真實性質可能尤為重要，因為理論家們已經發現了許多產生這種氣體的“假陽性”。其中一些非生物途徑不僅會產生過量的氧氣，還會使行星完全沒有生命。M 矮星緩慢燃燒其核燃料，使其能夠發光並支援宜居世界數千億甚至數萬億年。但這種長壽是有代價的：在它們存在的最初十億或二十億年中，M 矮星在緩慢發展成完全成熟的恆星時，甚至會比太陽更亮，烘烤任何位於最終將成為其宜居帶的區域中的行星。此類行星上的海洋可能會沸騰成蒸汽，強烈的紫外線可能會分解高層大氣中的水分子，將較輕的氫氣拋入太空，留下幾乎純氧的壓碎性高壓大氣層。來自青春期恆星的強烈耀斑和風進一步使情況複雜化，這可能會完全侵蝕附近行星的大氣層，而這些行星沒有地磁場的保護——或者反而會將稠密的蒸汽大氣層減少到更稀薄、更宜居的狀態。
TRAPPIST-1 作為試驗檯
吉隆及其同事認為，如果 TRAPPIST-1 的行星形成於更遠離恆星的位置，並逐漸漂移到目前的位置，它們本可以避免這些影響中最糟糕的情況——這種被稱為遷移的現象得到了充分研究，被認為是行星形成盤中幾乎普遍存在的現象，行星就像子宮中的胚胎一樣在其中形成。但華盛頓大學的行星理論家羅裡·巴恩斯指出，行星遷移通常發生在恆星生命的前 1000 萬年中，這太早了，無法避免在後來成為 M 矮星宜居帶的區域中進行數十億年的烘烤。即便如此，巴恩斯表示，如果 TRAPPIST-1 最裡面的行星之一的大氣層被烘烤掉，它可以被恆星對其世界內部的引力拉扯產生的火山活動所補充，這將使內部變熱。或者，同樣的“潮汐加熱”可能會導致行星將自身翻轉過來，變成一團不適宜居住的翻騰岩漿。
“實際上，用韋伯望遠鏡觀測這個系統最令人興奮的事情可能是，它將使我們能夠掌握這些潮汐效應對大氣層的影響，特別是對於更靠近內部的行星，這種影響可能是巨大的，”巴恩斯說。“你可以想象看到 TRAPPIST-1 b 或 TRAPPIST-1 c 的大氣層根本不像地球，而是完全是世界末日般的景象，並且被行星從其內臟中噴射出來以描繪表面和雲層的東西所主導。”
美國宇航局戈達德太空飛行中心的行星科學家肖恩·多馬加爾-戈德曼表示，對尋找生命的關注不應分散人們對 TRAPPIST-1 系統驚人的更廣泛潛力的注意力。“多年來，我們一直在談論圍繞這類恆星的這類行星——它們是否擁有海洋，它們的“生物特徵”可能是什麼樣子，以及它們可能如何形成生命的假陽性，”他說。“這個系統如此酷的地方在於，它為我們在近期內測試所有這些想法提供了一個幾乎理想的場景。”
吉隆對此表示贊同。“我們將把這些行星不僅與地球和我們太陽系的其他類地行星進行比較，而且還與它們自身進行比較。它們一定是從同一個盤中形成的，但在與恆星的不同距離處，因此我們可以研究它們不同的化學歷史和大氣層，以探測它們的歷史、形成和演化……我不知道我們是否會探測到氧氣和甲烷等等，但我確信我們將把我們關於行星在我們太陽系中如何形成的詳細理論擴充套件到遠超太陽系的地方。”
對於麻省理工學院的行星理論家薩拉·西格來說，這個新發現的系統最好被視為一個熔爐，在這個熔爐中，可能會鍛造出對遙遠世界及其生命前景的新的、更深入的理解。“TRAPPIST-1 是我們將測試我們對圍繞這些非常冷、非常低質量的 M 矮星執行的行星的希望、願望和恐懼的地方，”她說。“希望我們能找到水蒸氣，並推斷出岩石世界上存在液態水海洋。願望是我們能找到令人信服的生命跡象。恐懼是我們會發現氧氣，但不知道它是否來自生命。擁有這種恐懼是很棒的——做到這一點我們仍然會非常高興。更令人擔憂的恐懼是，這些行星都根本不宜居——我們將盡最大努力研究這個系統，最終卻瞭解到超冷恆星存在問題。這些發現的刺激部分在於它們所蘊含的潛力——不一定是在那裡存在的東西。M 矮星可能不是終點——它們只是開始。”