400度溫差坐實TRAPPIST-1兩行星無大氣

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡完成了人類史上首張太陽系外岩石行星完整氣候圖，結果毫無模糊空間。TRAPPIST-1星系最內側的兩顆行星——TRAPPIST-1 b與TRAPPIST-1 c——在永晝面與永夜面之間存在超過400攝氏度的溫差。這樣的溫度落差，在物理上只可能出現在完全沒有大氣層來傳遞熱量的世界。兩顆行星沒有空氣，沒有已知生命所需的條件，是徹底裸露的岩石。

TRAPPIST-1自2017年被確認以來，一直是系外生命搜索中最受矚目的目標。這顆位於寶瓶座、距地球39光年的紅矮星，周圍有七顆地球大小的行星，其中三顆落在「宜居帶」——恆星周圍溫度適中、理論上允許液態水存在於行星表面的區域。銀河系中超過四分之三的恆星是紅矮星，而地球型行星在其周圍特別普遍，這讓此類星系成為系外生命研究的核心場域。韋伯這次的數據，對最內側兩顆行星的生命可能性給出了明確答案。

值得注意的是，讓大氣層消失的關鍵機制是潮汐鎖定。由於TRAPPIST-1比太陽小且冷得多，其內側行星在極近距離內公轉，繞行一圈不到兩個地球日。在如此近的距離上，潮汐力使行星的自轉週期與公轉週期完全同步——就像月球永遠以同一面朝向地球。結果是一面永遠白晝、另一面永遠黑夜。若有濃厚大氣層，風將從灼熱的晝側向冰冷的夜側輸送熱量，縮小溫差。韋伯測到的400度落差顯示，這種熱傳遞根本沒有發生。沒有空氣，熱量無從移動。

史上首張岩石系外行星氣候全圖

研究由日內瓦大學天文學家艾美琳·波爾蒙帶領的團隊主導，使用韋伯望遠鏡的MIRI中紅外儀器，獲取了兩顆行星的熱位相曲線資料。做法是在行星公轉期間，持續追蹤整個恆星-行星系統的紅外輝度變化，進而還原行星在軌道各點的表面溫度分布。結果顯示，TRAPPIST-1 b的晝面溫度超過攝氏200度，夜面則降至零下200度以下。TRAPPIST-1 c整體溫度較低，但同樣呈現出極端溫度對比。對地球大小的系外岩石行星完成完整熱力氣候圖，是天文學史上頭一遭。

宜居帶行星仍是未解的問題

更關鍵的問題在於：這個結果是否意味著整個TRAPPIST-1星系都與生命無緣？研究團隊的回答是否定的。TRAPPIST-1 b與c是受恆星輻射最強、大氣侵蝕風險最高的兩顆行星。波爾蒙團隊的理論模型指出，外側行星的處境可能截然不同，保有大氣層的可能性依然存在。他們援引的比較具有說服力：距太陽最近的水星沒有大氣，但稍遠的金星與地球都保住了自己的大氣層。TRAPPIST-1 b和c的命運，不能直接推論至宜居帶內的e、f、g三顆行星。此外，熱位相曲線屬間接證據，確認的是濃密大氣的缺失，但無法排除偵測極限以下極薄氣層的存在。

研究結果刊登於學術期刊《自然天文學》。位於宜居帶正中央的TRAPPIST-1 e，目前正由太空望遠鏡科學研究所的DREAMS計畫持續觀測，另有15次凌星觀測已排入計畫。韋伯是否能在TRAPPIST-1找到第一個大氣存在的岩石系外行星——這個問題，答案仍懸在那39光年外等待揭曉。