根據一項新的氣候模型，在一個被煮沸的沙漠和一個巨大的雪球之間，一個名為 TRAPPIST-1e 的外星世界可能是新發現的七顆行星中唯一宜居的行星。
當研究人員宣佈發現七顆行星緊密圍繞著涼爽的紅矮星 TRAPPIST-1 執行時，人們急於瞭解更多關於這些小型岩石世界的資訊，並找出其中是否有任何一顆可能適宜居住。最早深入模擬這些世界潛在氣候的科學家之一是科羅拉多大學博爾德分校的研究員埃裡克·沃爾夫。他的模型，以及其他即將推出的模型，將更清晰地描繪出該星系行星的真實情況。
沃爾夫模擬了 TRAPPIST-1 周圍的三顆行星，並測試了不同的潛在大氣層，以觀察是否有任何一種大氣層可以讓液態水存在於行星表面。他發現，在他的模擬中，在被列為可能宜居的行星中，只有一顆能夠保持液態水。[系外行星之旅：認識 TRAPPIST-1 的 7 顆地球大小的行星]
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雪球和失控溫室效應
沃爾夫特別調查了 TRAPPIST-1 周圍的行星 d、e 和 f，TRAPPIST-1 距離地球約 39 光年。他發現行星 d 離其恆星太近，積累了濃厚的水蒸氣大氣層，這使得行星進一步升溫，並將剩餘的水煮沸——失控的溫室效應保證了該行星最終會變得太熱太乾燥，無法長期維持生命。相比之下，行星 f 離其恆星太遠，使其成為一個雪球；任何地表水都會凍結成固體，並且在模型中，行星大氣中任何氣體組合似乎都無法使其保持足夠溫暖，沃爾夫說。
沃爾夫告訴 Space.com：“因此，行星 e 是唯一真正有機會擁有溫帶、宜居、類地球氣候的行星。”
為了得出這個結論，沃爾夫使用了一個修改後的大氣模型，該模型最初是為模擬地球氣候而校準的。TRAPPIST-1 的行星雖然大小與地球相似，但它們存在的條件與地球非常不同——這七顆行星緊靠著它們超冷的紅矮星，並且完整軌道的執行時間在 1.5 天到 20 天之間（相比之下，地球為 365.26 天）。由於它們離恆星如此之近，這些行星很可能以一面始終朝內的方向執行。這顆恆星發出的光波長與太陽不同；TRAPPIST-1 更紅，發出更長的波長，包括那些近紅外線中的波長。
沃爾夫使用了科羅拉多大學的 Janus 超級計算機和華盛頓大學的 Hyak 超級計算機進行計算。他的文章已被《天體物理學雜誌》接受發表，與此同時，他將結果釋出 在 ArXiv.org 上。
對於這項分析，沃爾夫假設水可以在行星表面自由獲得。他發現，在類地球大氣層中，行星 e 表面約有 20% 的區域沒有冰——它看起來像一個眼球，有一個朝向恆星的溫暖融化點——並且您可以透過向大氣層新增更多的二氧化碳來複制地球的溫度（或者，氮氣和二氧化碳的各種組合可以提供這種隔熱效果）。
為了補償行星 f 離恆星的距離並使其足夠溫暖以產生液態水，他嘗試新增約 30 巴壓強的二氧化碳——大約是地球整個海平面大氣壓的 30 倍。然而，行星 f 仍然太冷而無法維持生命——實際上太冷了，以至於氣體開始凝結並從大氣中掉出來。
更遠處的行星會更糟，它們會凍結所有可用的水並變成雪球。根據模型，行星 d 無論其大氣層的厚度和成分如何，都會太熱而無法保持水分，靠近內部的行星也是如此。儘管一個月前宣佈該系統的原始論文發表在《自然》雜誌上，該論文假設行星 e、f 和 g 可能擁有液態海洋，但沃爾夫更復雜的模型表明，行星 f 和 g 會非常寒冷。
沃爾夫說：“主要的結論是 TRAPPIST-[1]e 是真正的贏家。”但他正熱切期待更多模型；與模擬地球上的氣候變化一樣，需要許多不同的技術才能就哪些行星的大氣層可能允許液態水存在達成共識。
他補充說：“我們需要在眾多模型之間進行比較，才能就我們的模型正在做正確的事情達成共識，並且我們可以獲得一些結果的收斂性，從而對這些行星做出判斷。”
有許多變數會影響行星的環境，不同的模型以不同的方式處理這些變數。沃爾夫的模型考慮了大氣中不同氣體的作用、雲層的冷卻影響以及輻射加熱行星的方式等等因素。它還簡化了海洋的工作方式；實際上，洋流可以透過將熱量從溫暖的向陽面輸送到寒冷的背陽面來減少行星的海冰覆蓋率。其他氣候模型可能會對每個計算做出不同的選擇，並且隨著研究人員更多地瞭解行星環境的工作原理，這些模型總是在不斷改進。[TRAPPIST-1 是“迄今為止最令人難以置信的恆星系統”——5 個驚人的事實]
要尋找什麼
對於 TRAPPIST-1d、e 和 f，沃爾夫在嘗試特定大氣層時，模擬了整個行星的溫度。對於行星 e，他測試了寒冷、溫帶和炎熱的情景。然後，他繪製了在給定大氣層下每個行星將釋放的熱量，以及在軌道每個部分行星表面反射的光的亮度。隨著真實資料的到來，研究人員將能夠將這些模型與真實資料進行比較。
沃爾夫說：“如果我們能夠獲得這些觀測結果並將它們與我們的模型結果進行比較，我們或許能夠對行星的大氣層是什麼樣子做出一些估計。”他補充說，提前製作這些模型有助於研究人員為這些資料做好準備，並且還可以建議哪些模型可能最有效率地進行進一步研究。未來，他和他的同事計劃模擬從行星返回的光譜，讓研究人員將未來的觀測結果與特定的大氣層相匹配。
美國宇航局戈達德空間研究所的研究員安東尼·德爾·熱尼奧說：“這是一篇非常好的論文。”他沒有參與這項研究。“據我所知，埃裡克 [沃爾夫] 是第一個對 TRAPPIST-1 系統進行此類研究的人——當然，他是第一個進行 3D 研究的人。”
德爾·熱尼奧指的是 3D 氣候模型，該模型將行星劃分為垂直柱，並跟蹤跨柱條件如何變化，而一維模型僅檢查大氣層和表面的一個柱。3D 模型可以包含自然現象中更多的細微差別，並且可以處理行星向陽面和背陽面的差異，這對於像 TRAPPIST-1 行星這樣始終以同一面朝向恆星的星球尤其重要。
德爾·熱尼奧期待著其他模型可能會揭示什麼，特別是關於行星 d 和 f 的細節。他說，不同的處理方法可能會為行星的潛在宜居性提供不同的結果。但就目前而言，沃爾夫的研究為研究人員將更強大的望遠鏡轉向該恆星系統時應該尋找什麼提供了一個很好的建議。
德爾·熱尼奧告訴 Space.com：“他確實為該系統的特徵描述奠定了基礎，我想說，如果你是一位天文學家，正在考慮觀測 TRAPPIST 系統以描述大氣層特徵，那麼由於這項研究，你知道你首先想要研究哪顆行星。”
原始文章發表在 Space.com 上。
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