TRAPPIST-1 行星的轨道和谐只能在有限的早期轰炸中幸存下来

　　七颗系外行星的脆弱轨道限制了水的迟到。七颗地球大小的行星以近乎完美的和谐环绕恒星 TRAPPIST-1，美国和欧洲的研究人员利用这种和谐来确定这些行星在其初期可以承受多少轰炸。岩石行星形成后，物体会猛烈撞击它们。这被称为轰击，或晚期吸积，这些影响可能是促进生命生长的水和挥发性元素的重要来源。

　　在今天（2021 年 11 月 25 日）《自然天文学》在线发表的一项研究中，来自赖斯大学美国宇航局资助的 CLEVER 行星项目和其它七个机构的雷蒙德及其同事使用了 TRAPPIST-1 中行星形成的轰击阶段的计算机模型来探索它的行星本可以承受的撞击而不会失去和谐。

　　雷蒙德说：“在我们的太阳系中破译行星的撞击历史很困难，而且在数光年之外的系统中似乎是一项无望的任务。”

　　“在地球上，我们可以测量某些类型的元素并将它们与陨石进行比较。”雷蒙德说。“这就是我们试图弄清楚在地球大部分形成后有多少物质撞击地球的方法。”

　　但是这些工具不存在用于研究系外行星的轰击。

　　“我们永远不会从他们那里得到石头。”他说。“我们永远不会在它们上面看到陨石坑。所以，我们能做些什么？这就是 TRAPPIST-1 特殊轨道配置的用武之地。这是一种我们可以拉动的杠杆来限制它。”

　　TRAPPIST-1 距离我们大约 40 光年，比我们的太阳小得多，温度也低得多。它的行星按照它们与恒星的距离的顺序从 b 到 h 按字母顺序命名。绕恒星运行一周所需的时间——相当于地球上的一年——在 b 行星上为 1.5 天，在 h 行星上为 19 天。值得注意的是，它们的轨道周期形成了近乎完美的比例，一种让人联想到和谐音符的共振排列。例如，对于 b 行星上的每8年，c 行星上经过了 5 年，d 行星上经过了 3 年，e 行星上经过了 2 年，依此类推。

　　“我们无法确切说出有多少物质撞击到这些行星中的任何一颗，但由于这种特殊的共振配置，我们可以对其设置上限。”雷蒙德说。“我们可以说，'它不可能比这更多。' 事实证明，这个上限实际上相当小。

　　“我们发现在这些行星形成后，它们并没有受到非常少量物质的轰击。”他说。“当我们考虑系统中行星的其它方面时，这是有趣的信息。”

　　行星在新形成的恒星周围的气体和尘埃原行星盘中生长。这些圆盘只能持续几百万年，之前的研究表明，当年轻的行星在圆盘消失之前迁移到更靠近它们的恒星时，就会形成像 TRAPPIST-1 这样的行星共振链。计算机模型显示，圆盘可以引导行星产生共振。雷蒙德说：“人们相信像 TRAPPIST-1 这样的共振链必须在它们的圆盘消失之前设置。”

　　赖斯研究的共同作者、天体物理学家和 CLEVER Planets 博士后研究员安德烈·伊齐多罗说：“结果是 TRAPPIST-1 的行星形成速度很快，大约是地球形成时间的十分之一。”

　　由研究合著者、赖斯地球系统科学莫里斯尤因教授 Rajdeep Dasgupta 领导的 CLEVER Planets 正在探索行星可能获得支持生命所需元素的方式。在之前的研究中，CLEVER Planets 的 Dasgupta 及其同事表明，地球上很大一部分挥发性元素来自形成月球的撞击。

　　达斯古普塔说：“如果一颗行星形成得太早，而且它的质量太小，比如月球或火星的质量，它就无法从圆盘中吸积大量气体。” “这样的行星通过后期轰炸获得生命必需的挥发性元素的机会也少得多。”

　　伊兹多罗说，地球的大部分质量都是在相对较晚的时候获得的，其中大约 1% 来自月球形成碰撞后的撞击。

　　“我们知道，在气体（在原行星盘中）消失后，地球至少发生了一次巨大的撞击。”他说。“那是月球形成事件。

　　“对于 TRAPPIST-1 系统，我们拥有这些早期形成的地球质量的行星。”他说。“因此，与地球的形成相比，一个潜在的差异是，它们可能从一开始就有一些氢大气层，并且从未经历过晚期的巨大撞击。这可能会改变行星内部、释气、挥发性损失和其它对宜居性有影响的事物的进化。”

　　雷蒙德说：“本周的研究不仅对其它共振行星系统的研究具有意义，而且对更常见的系外行星系统也有影响，这些系统被认为是从共振系统开始的。”

　　“超级地球和亚海王星在其它恒星周围非常丰富，主要的想法是它们在气体盘阶段向内迁移，然后可能发生了碰撞的后期阶段。”雷蒙德说。“但在早期阶段，它们向内迁移，我们认为它们几乎——普遍可能——有一个阶段，它们是像 TRAPPIST-1 这样的共振链结构。他们只是没能活下来。他们后来变得不稳定。”

　　“我们今天对这些行星的组成有一些限制，比如它们可以有多少水。”伊齐多罗谈到在共振迁移阶段形成的行星时说。“但我们有非常大的误差线。”

　　未来，观测将更好地限制系外行星的内部组成，了解共振行星的晚期轰击历史可能非常有用。

　　“例如，如果这些行星中的一个有很多水，假设质量分数为 20%，那么水一定是在气态阶段早期并入行星中的。”他说。“所以你必须了解什么样的过程可以将这些水带到这个星球上。”