对于寻找其他恒星周围地球的孪生兄弟甚至表亲的行星搜寻天文学家来说，宇宙已经变得不再那么孤独。
要符合行星近亲的资格，另一个世界必须是岩石行星，并且位于其恒星“宜居带”中不太热也不太冷的位置，沐浴在与地球大致相同量的星光中。在那里——如果它拥有既不太稠密也不太稀薄的大气层——这样的世界可能会孕育温和的气候，生命之源液态水可能会汇集在湖泊、海洋中。正在进行的行星观测统计数据表明，我们星系中数十亿个世界可能符合这些微不足道的标准，但到目前为止，发现的符合镜像地球的令人兴奋的猜想的候选者还不到十几个。
至少，在今天之前是这样。在《自然》杂志上，一个国际研究小组详细介绍了七个与我们自身相当的世界的发现，它们围绕着位于宝瓶座中 40 光年外的恒星 TRAPPIST-1 运行。其中三颗行星在 TRAPPIST-1 的宜居带内运行，另外四颗行星在某些大气条件下也可能能够维持液态水和生命。所有行星看起来都与地球的大小、质量和成分大致相同。
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目前，TRAPPIST-1 的行星仅以其目录符号为人所知——TRAPPIST-1 b、c、d、e、f、g 和 h，按它们与恒星的距离顺序标记。这种情况很快可能会改变——当宇航员沉醉于研究并开始了解它们时，这些世界将呼唤名字。TRAPPIST-1 在宇宙尺度上离我们如此之近，拥有如此丰富的有希望的世界，注定将成为未来所有宜居行星搜索的试金石。一些乐观主义者表示，在十年内，对 TRAPPIST-1 的研究可能会为太阳系外生命的存在提供令人信服的证据。
“这是首次在恒星的宜居带中发现如此多地球大小的行星，”比利时列日大学的天文学家迈克尔·吉隆说道，他是 TRAPPIST（凌星行星和微行星小望远镜）调查的负责人，这颗恒星由此得名。（该调查本身以比利时独特的 僧侣酿造啤酒 命名。）“这是我们第一次不仅可以详细研究四颗类地行星——水星、金星、地球和火星。我们现在又有了七颗……我们可能正处于从哲学角度回答有史以来最根本问题的边缘，即生命在宇宙中有多么频繁。”
这项重大发现的最初迹象出现在 2015 年 9 月，当时 TRAPPIST 团队探测到该系统中的 三颗行星，但也发现了更多潜伏在那里的行星的诱人线索。为了找到它们，该团队争取了许多其他天文台的帮助，最终得到了斯皮策太空望远镜的帮助，该望远镜在 2016 年 9 月和 10 月整整 20 天盯着这颗恒星，以收集更多数据。斯皮策的观测最终在 2016 年 10 月 27 日揭示了另外四颗行星——该团队用一轮 Trappist 啤酒庆祝了这一突破。
缩小的恒星，阴暗的世界
恒星 TRAPPIST-1 几乎比木星还小，但重量是木星的 80 倍，年龄在 5 亿到几十亿年之间。天文学家称之为超冷 M 矮星——一种最小、最暗、最冷的恒星。相比之下，我们的太阳是一颗 G 矮星——一种恒星类型，其体积是 M 矮星的 12.5 倍，亮度是 M 矮星的 2000 倍，稀有度大约是 M 矮星的 20 倍；事实证明，宇宙更喜欢制造小恒星而不是大恒星。这颗恒星最里面的世界 TRAPPIST-1 b 只需 1.5 天即可完成一次轨道运行，而最外面的 TRAPPIST-1 h 的轨道运行时间可能为 20 天，比水星到我们太阳的距离近五倍。所有这一切都意味着 TRAPPIST-1 的温带行星，像流浪者一样紧紧围绕着恒星，可能是宇宙中的常态，而像我们自己的行星系统则属于例外。
所有七个世界都被探测到，是因为它们会凌星，这意味着当从地球上看时，它们会穿过恒星的表面，投下阴影，天文学家将这些阴影测量为恒星光线中微小的下降。相应下降的深度使天文学家能够估计凌星行星的大小，而下降随时间的重复出现提供了一种方法来确定行星的轨道周期及其与恒星的距离。对于 TRAPPIST-1 系统，由于其所有行星都非常靠近，它们也会相互扰动，产生共振的力相互作用，从而导致每个世界的凌星时间发生可测量的偏移，导致每次凌星都比在不受扰动的情况下提前或延迟到达。“通过测量这种变化，我们可以确定行星的质量，”麻省理工学院的博士后研究员和 TRAPPIST 团队成员朱利安·德威特说。“通过精确了解行星的大小和质量，我们可以确定它们的整体密度，然后地球物理学家可以帮助我们更好地了解它们的内部。”根据这些测量，TRAPPIST 团队估计所有行星都具有与地球相似的密度，因此可能是岩石行星，或者，也可能是具有由金属和岩石组成的小而致密的核心，周围环绕着更厚更轻的水、冰和气体层的行星。
剑桥大学的 TRAPPIST 合作者 Amaury Triaud 表示，从中间世界之一的表面来看，TRAPPIST-1 将是一个鲑鱼色的球体，看起来比地球天空中的太阳大 10 倍，但亮度不会超过我们恒星在黄昏时分的亮度。您会感受到而不是看到它的大部分光线，这种光线在温暖的、不可见的红外线中达到峰值。时不时地，一颗邻近的行星会从头顶飘过，最近的行星在天空中看起来是地球满月大小的两倍。但恒星本身看起来是静止不动的，因为 TRAPPIST-1 的所有七颗行星都处于如此近距离的轨道上，以至于它们都被潮汐锁定，每轨道自转一次，因此它们永远将同一半球面朝向恒星，而另一半球面则处于永久的黑暗之中。天文学家过去认为，潮汐锁定将是生命的丧钟，因为空气会在行星的黑暗面冻结，但现在怀疑即使是像火星一样稀薄的大气层也可能维持大气环流，从而在半球之间传输热量。如果它们有大气层，无论 TRAPPIST-1 世界上的天气如何，都可能总是刮风。
“超冷”机遇
M 矮星在宇宙中的普遍存在以及它们伴随的世界的紧凑、缩小结构，使它们成为天文学家寻找凌星行星的理想目标。由于凌星仅在行星的轨道与我们的视线基本对齐时才会发生，因此它们非常罕见，天文学家必须监测数百颗恒星才能找到少数凌星世界。但是，行星离其恒星越近，凌星的机会就越大，而 M 矮星既是最多的恒星，也是最有可能拥有近距离行星的恒星。更重要的是，行星在较小恒星前凌星更容易被看到，因为它们会阻挡更大比例的恒星光线——而且没有比超冷 M 矮星更小的普通恒星了。探测这种凌星非常便宜——TRAPPIST 仅由两台计算机控制的 60 厘米望远镜组成，它们的目标是附近的超冷 M 矮星。
事实上，一颗在附近的超冷 M 矮星前凌星的行星将阻挡如此大比例的恒星光，以至于一种原本难以捉摸的现象可以很容易地被看到：行星轮廓周围的光环，是由星光穿过并环绕其高层大气层而产生的。使用美国国家航空航天局的轨道运行的哈勃太空望远镜或其明年发射的 詹姆斯·韦伯太空望远镜，天文学家可以测量此类光环的波动颜色，以了解光线穿过时击中了哪些分子，从而有效地嗅探凌星行星跨越光年的空气。与直接成像明亮、附近类太阳恒星周围宜居轨道上的地球大小行星的平行努力相比，天文学家认为这是寻找系外行星生命的捷径——这种挑战非常巨大，其解决方案可能在几十年后。吉隆在设计 TRAPPIST 调查及其即将首次亮相的后继者时就考虑到了所有这些，后继者是由四台地面一米望远镜组成的阵列，名为 SPECULOOS（恰如其分地以比利时流行的 一种饼干 命名）。
吉隆说：“这正是我们实验的全部目的，即专注于太阳系附近的超冷 M 矮星，以寻找和研究地球大小的凌星行星的大气层。”“这些是唯一可以通过当前技术、哈勃和韦伯进行此类测量的目标。”
寻找生命的呼吸——或死亡
吉隆及其团队已经使用哈勃望远镜 寻找并排除 了至少两颗行星周围存在非常厚的氢主导大气层的可能性，这两颗行星是最里面的 TRAPPIST-1 b 及其相邻行星 TRAPPIST-1 c。该团队还在使用哈勃望远镜寻找行星上的水蒸气迹象。吉隆说，如果天文学家使用韦伯更密切地观察，捕捉到 TRAPPIST-1 系统中每颗行星 20 或 30 次凌星，望远镜将能够梳理出几种大气气体的存在（或不存在），这些气体在地球上是诊断我们星球宜居性和生物圈的重要指标。
与哈勃望远镜一样，韦伯望远镜也可以看到水蒸气，但更加明确——足以推测全球海洋的存在。此外，它还可以看到二氧化碳并估计每颗行星的全球变暖温室效应，从而估计其平均温度。它还将密切关注臭氧——光合植物产生的氧气的副产品——以及甲烷，一种厌氧细菌释放的有机化合物。甲烷和氧气混合在一起时是不稳定的——它们在行星空气中的共同存在表明它们正在被某种看不见的来源不断补充。“如果你在二氧化碳和水的存在下同时拥有臭氧和甲烷，你只有一个明显的解释，”吉隆说。“那就是生命。”
然而，很少有天文学家相信会轻易获得如此确凿的结果——如果真的能获得的话。许多人认为，哈勃望远镜和后来的韦伯望远镜收集的数据更有可能描绘出一幅远为不完整和混乱的景象，这只能通过后代天文台来解决。例如，哈佛大学的先驱行星猎手大卫·查博诺表示，TRAPPIST-1 作为超冷 M 矮星的地位可能会使在其行星上寻找氧气变得复杂，他运行着另一项凌星调查，MEarth，目标是更大、更亮的 M 矮星。“光学波长是寻找行星大气中氧气迹象及其丰度的最佳位置，但 TRAPPIST-1 在光学光线下非常微弱，你需要那些恒星光子穿过行星的大气层，”他说。相反，韦伯望远镜将在 TRAPPIST-1 的行星上寻找臭氧迹象，臭氧在红外光下显得最强，而恒星在红外光下更亮——但根据查博诺的说法，仅凭这些测量无法轻易区分氧气的丰度，从而帮助限制其起源。
了解行星大气中氧气的含量对于了解任何 M 矮星世界的真实性质可能尤为重要，因为理论家们已经发现了许多产生这种气体的“假阳性”。其中一些非生物途径不仅会产生过量的氧气，还会使行星完全没有生命。M 矮星缓慢燃烧其核燃料，使其能够发光并支持宜居世界数千亿甚至数万亿年。但这种长寿是有代价的：在它们存在的最初十亿或二十亿年中，M 矮星在缓慢发展成完全成熟的恒星时，甚至会比太阳更亮，烘烤任何位于最终将成为其宜居带的区域中的行星。此类行星上的海洋可能会沸腾成蒸汽，强烈的紫外线可能会分解高层大气中的水分子，将较轻的氢气抛入太空，留下几乎纯氧的压碎性高压大气层。来自青春期恒星的强烈耀斑和风进一步使情况复杂化，这可能会完全侵蚀附近行星的大气层，而这些行星没有地磁场的保护——或者反而会将稠密的蒸汽大气层减少到更稀薄、更宜居的状态。
TRAPPIST-1 作为试验台
吉隆及其同事认为，如果 TRAPPIST-1 的行星形成于更远离恒星的位置，并逐渐漂移到目前的位置，它们本可以避免这些影响中最糟糕的情况——这种被称为迁移的现象得到了充分研究，被认为是行星形成盘中几乎普遍存在的现象，行星就像子宫中的胚胎一样在其中形成。但华盛顿大学的行星理论家罗里·巴恩斯指出，行星迁移通常发生在恒星生命的前 1000 万年中，这太早了，无法避免在后来成为 M 矮星宜居带的区域中进行数十亿年的烘烤。即便如此，巴恩斯表示，如果 TRAPPIST-1 最里面的行星之一的大气层被烘烤掉，它可以被恒星对其世界内部的引力拉扯产生的火山活动所补充，这将使内部变热。或者，同样的“潮汐加热”可能会导致行星将自身翻转过来，变成一团不适宜居住的翻腾岩浆。
“实际上，用韦伯望远镜观测这个系统最令人兴奋的事情可能是，它将使我们能够掌握这些潮汐效应对大气层的影响，特别是对于更靠近内部的行星，这种影响可能是巨大的，”巴恩斯说。“你可以想象看到 TRAPPIST-1 b 或 TRAPPIST-1 c 的大气层根本不像地球，而是完全是世界末日般的景象，并且被行星从其内脏中喷射出来以描绘表面和云层的东西所主导。”
美国宇航局戈达德太空飞行中心的行星科学家肖恩·多马加尔-戈德曼表示，对寻找生命的关注不应分散人们对 TRAPPIST-1 系统惊人的更广泛潜力的注意力。“多年来，我们一直在谈论围绕这类恒星的这类行星——它们是否拥有海洋，它们的“生物特征”可能是什么样子，以及它们可能如何形成生命的假阳性，”他说。“这个系统如此酷的地方在于，它为我们在近期内测试所有这些想法提供了一个几乎理想的场景。”
吉隆对此表示赞同。“我们将把这些行星不仅与地球和我们太阳系的其他类地行星进行比较，而且还与它们自身进行比较。它们一定是从同一个盘中形成的，但在与恒星的不同距离处，因此我们可以研究它们不同的化学历史和大气层，以探测它们的历史、形成和演化……我不知道我们是否会探测到氧气和甲烷等等，但我确信我们将把我们关于行星在我们太阳系中如何形成的详细理论扩展到远超太阳系的地方。”
对于麻省理工学院的行星理论家萨拉·西格来说，这个新发现的系统最好被视为一个熔炉，在这个熔炉中，可能会锻造出对遥远世界及其生命前景的新的、更深入的理解。“TRAPPIST-1 是我们将测试我们对围绕这些非常冷、非常低质量的 M 矮星运行的行星的希望、愿望和恐惧的地方，”她说。“希望我们能找到水蒸气，并推断出岩石世界上存在液态水海洋。愿望是我们能找到令人信服的生命迹象。恐惧是我们会发现氧气，但不知道它是否来自生命。拥有这种恐惧是很棒的——做到这一点我们仍然会非常高兴。更令人担忧的恐惧是，这些行星都根本不宜居——我们将尽最大努力研究这个系统，最终却了解到超冷恒星存在问题。这些发现的刺激部分在于它们所蕴含的潜力——不一定是在那里存在的东西。M 矮星可能不是终点——它们只是开始。”