根据一项新的气候模型，在一个被煮沸的沙漠和一个巨大的雪球之间，一个名为 TRAPPIST-1e 的外星世界可能是新发现的七颗行星中唯一宜居的行星。
当研究人员宣布发现七颗行星紧密围绕着凉爽的红矮星 TRAPPIST-1 运行时，人们急于了解更多关于这些小型岩石世界的信息，并找出其中是否有任何一颗可能适宜居住。最早深入模拟这些世界潜在气候的科学家之一是科罗拉多大学博尔德分校的研究员埃里克·沃尔夫。他的模型，以及其他即将推出的模型，将更清晰地描绘出该星系行星的真实情况。
沃尔夫模拟了 TRAPPIST-1 周围的三颗行星，并测试了不同的潜在大气层，以观察是否有任何一种大气层可以让液态水存在于行星表面。他发现，在他的模拟中，在被列为可能宜居的行星中，只有一颗能够保持液态水。[系外行星之旅：认识 TRAPPIST-1 的 7 颗地球大小的行星]
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雪球和失控温室效应
沃尔夫特别调查了 TRAPPIST-1 周围的行星 d、e 和 f，TRAPPIST-1 距离地球约 39 光年。他发现行星 d 离其恒星太近，积累了浓厚的水蒸气大气层，这使得行星进一步升温，并将剩余的水煮沸——失控的温室效应保证了该行星最终会变得太热太干燥，无法长期维持生命。相比之下，行星 f 离其恒星太远，使其成为一个雪球；任何地表水都会冻结成固体，并且在模型中，行星大气中任何气体组合似乎都无法使其保持足够温暖，沃尔夫说。
沃尔夫告诉 Space.com：“因此，行星 e 是唯一真正有机会拥有温带、宜居、类地球气候的行星。”
为了得出这个结论，沃尔夫使用了一个修改后的大气模型，该模型最初是为模拟地球气候而校准的。TRAPPIST-1 的行星虽然大小与地球相似，但它们存在的条件与地球非常不同——这七颗行星紧靠着它们超冷的红矮星，并且完整轨道的运行时间在 1.5 天到 20 天之间（相比之下，地球为 365.26 天）。由于它们离恒星如此之近，这些行星很可能以一面始终朝内的方向运行。这颗恒星发出的光波长与太阳不同；TRAPPIST-1 更红，发出更长的波长，包括那些近红外线中的波长。
沃尔夫使用了科罗拉多大学的 Janus 超级计算机和华盛顿大学的 Hyak 超级计算机进行计算。他的文章已被《天体物理学杂志》接受发表，与此同时，他将结果发布 在 ArXiv.org 上。
对于这项分析，沃尔夫假设水可以在行星表面自由获得。他发现，在类地球大气层中，行星 e 表面约有 20% 的区域没有冰——它看起来像一个眼球，有一个朝向恒星的温暖融化点——并且您可以通过向大气层添加更多的二氧化碳来复制地球的温度（或者，氮气和二氧化碳的各种组合可以提供这种隔热效果）。
为了补偿行星 f 离恒星的距离并使其足够温暖以产生液态水，他尝试添加约 30 巴压强的二氧化碳——大约是地球整个海平面大气压的 30 倍。然而，行星 f 仍然太冷而无法维持生命——实际上太冷了，以至于气体开始凝结并从大气中掉出来。
更远处的行星会更糟，它们会冻结所有可用的水并变成雪球。根据模型，行星 d 无论其大气层的厚度和成分如何，都会太热而无法保持水分，靠近内部的行星也是如此。尽管一个月前宣布该系统的原始论文发表在《自然》杂志上，该论文假设行星 e、f 和 g 可能拥有液态海洋，但沃尔夫更复杂的模型表明，行星 f 和 g 会非常寒冷。
沃尔夫说：“主要的结论是 TRAPPIST-[1]e 是真正的赢家。”但他正热切期待更多模型；与模拟地球上的气候变化一样，需要许多不同的技术才能就哪些行星的大气层可能允许液态水存在达成共识。
他补充说：“我们需要在众多模型之间进行比较，才能就我们的模型正在做正确的事情达成共识，并且我们可以获得一些结果的收敛性，从而对这些行星做出判断。”
有许多变量会影响行星的环境，不同的模型以不同的方式处理这些变量。沃尔夫的模型考虑了大气中不同气体的作用、云层的冷却影响以及辐射加热行星的方式等等因素。它还简化了海洋的工作方式；实际上，洋流可以通过将热量从温暖的向阳面输送到寒冷的背阳面来减少行星的海冰覆盖率。其他气候模型可能会对每个计算做出不同的选择，并且随着研究人员更多地了解行星环境的工作原理，这些模型总是在不断改进。[TRAPPIST-1 是“迄今为止最令人难以置信的恒星系统”——5 个惊人的事实]
要寻找什么
对于 TRAPPIST-1d、e 和 f，沃尔夫在尝试特定大气层时，模拟了整个行星的温度。对于行星 e，他测试了寒冷、温带和炎热的情景。然后，他绘制了在给定大气层下每个行星将释放的热量，以及在轨道每个部分行星表面反射的光的亮度。随着真实数据的到来，研究人员将能够将这些模型与真实数据进行比较。
沃尔夫说：“如果我们能够获得这些观测结果并将它们与我们的模型结果进行比较，我们或许能够对行星的大气层是什么样子做出一些估计。”他补充说，提前制作这些模型有助于研究人员为这些数据做好准备，并且还可以建议哪些模型可能最有效率地进行进一步研究。未来，他和他的同事计划模拟从行星返回的光谱，让研究人员将未来的观测结果与特定的大气层相匹配。
美国宇航局戈达德空间研究所的研究员安东尼·德尔·热尼奥说：“这是一篇非常好的论文。”他没有参与这项研究。“据我所知，埃里克 [沃尔夫] 是第一个对 TRAPPIST-1 系统进行此类研究的人——当然，他是第一个进行 3D 研究的人。”
德尔·热尼奥指的是 3D 气候模型，该模型将行星划分为垂直柱，并跟踪跨柱条件如何变化，而一维模型仅检查大气层和表面的一个柱。3D 模型可以包含自然现象中更多的细微差别，并且可以处理行星向阳面和背阳面的差异，这对于像 TRAPPIST-1 行星这样始终以同一面朝向恒星的星球尤其重要。
德尔·热尼奥期待着其他模型可能会揭示什么，特别是关于行星 d 和 f 的细节。他说，不同的处理方法可能会为行星的潜在宜居性提供不同的结果。但就目前而言，沃尔夫的研究为研究人员将更强大的望远镜转向该恒星系统时应该寻找什么提供了一个很好的建议。
德尔·热尼奥告诉 Space.com：“他确实为该系统的特征描述奠定了基础，我想说，如果你是一位天文学家，正在考虑观测 TRAPPIST 系统以描述大气层特征，那么由于这项研究，你知道你首先想要研究哪颗行星。”
原始文章发表在 Space.com 上。
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