TOI 700系统的三颗行星围绕着一颗小而冷的M矮星运行。TOI 700d是TESS发现的第一个地球大小的宜居带。
影像来源:NASA’s Goddard Space Flight Center

NASA的凌日系外行星勘测卫星(TESS)在其恒星的宜居带发现了第一颗地球大小的行星。宜居带是指在适宜的距离范围内,适宜液态水存在的星球。科学家们利用NASA的斯皮策太空望远镜确认了这一名为TOI 700d的发现,并模拟了这颗行星的潜在环境,以帮助未来的观测。

迄今为止,TOI 700 d是在恒星的宜居带中发现的仅有少数几个地球大小的行星之一。其他还包括TRAPPIST-1系统中的几颗行星以及NASA开普勒太空望远镜发现的其他行星。

“ TESS的设计和发射是专门为寻找围绕附近恒星运行的地球大小的行星而设计的,”位于华盛顿的NASA总部天体物理学部门主管Paul Hertz说。“在太空和地球上,用更大的望远镜追踪附近恒星周围的行星是最容易的。发现TOI 700 d是TESS的一项关键科学发现。斯皮策太空望远镜确认了这颗行星的大小和适居带的状态,对斯皮策来说是另一项胜利,因为它将于今年1月结束科学运作。”

TESS的设计和发射是专门用来寻找地球大小的行星围绕附近的恒星运行。

NASA的凌日系外行星勘测卫星(TESS)在其恒星的宜居带发现了第一颗地球大小的行星。宜居带是指在适宜的距离范围内,适宜液态水存在的星球。科学家们利用NASA的斯皮策太空望远镜确认了这一名为TOI 700d的发现,并模拟了这颗行星的潜在环境,以帮助未来的观测。
影像来源:NASA’s Goddard Space Flight Center

TESS每次对大片天空进行27天的监控,这些区域被称为扇区。从我们的角度来看,这种长时间的凝视使卫星能够跟踪由一颗绕轨道运行的行星在其恒星前方过境所引起的恒星亮度变化,这一事件被称为凌日。

TOI 700是一颗小而冷的M矮星,位于100光年之外天南星座之一的剑鱼座。它的质量和大小大约是太阳的40%,表面温度大约是太阳的一半。这颗恒星出现在任务第一年TESS观测到的13个扇区中的11个中,科学家们通过它的三个行星捕捉到了多次凌日现象。

这颗恒星最初在TESS数据库中被错误分类为与我们的太阳更相似,这意味着这些行星看起来比实际更大、更热。几名研究人员,包括和TESS团队成员一起工作的高中生奥尔顿·斯宾塞(Alton Spencer),发现了这个错误。

“当我们修正了这颗恒星的参数后,它的行星尺寸减小了,我们意识到最外层的行星与地球差不多大,而且位于宜居带。”芝加哥大学的研究生艾米丽·吉尔伯特(Emily Gilbert)说。“此外,在11个月的数据中,我们没有看到恒星产生耀斑,这增加了TOI 700d适宜居住的机会,并使其更容易建立其大气和表面条件的模型。”

吉尔伯特和其他研究人员在火奴鲁鲁举行的美国天文学会第235次会议上公布了他们的发现,三篇论文(吉尔伯特领导的其中一篇论文)已提交给科学期刊。

最里面的行星称为TOI 700b,几乎与地球大小一样,可能是岩石构成的。每10天完成一次轨道运行。中间的这颗行星,TOI 700c,比地球大2.6倍,大小介于地球和海王星之间,每16天绕轨道运行一次,很可能是一个以气体为主的星球。TOI 700d是太阳系中已知的最外层行星,也是唯一一颗位于宜居带的行星,体积比地球大20%,每37天绕轨道运行一次,并从其恒星接收太阳向地球提供的86%的能量。人们认为所有行星都被潮汐锁定在其恒星上,这意味着它们每绕一个轨道旋转一次,以使一侧在日光下不断沐浴。

马萨诸塞州剑桥市天体物理中心|哈佛和史密森尼中心的天文学家约瑟夫·罗德里格斯带领一组科学家,要求用斯皮策进行后续观测,以确认TOI 700d。

“考虑到这一发现的影响——这是TESS发现的第一颗地球大小的宜居带行星——我们真的希望我们对这个系统的理解尽可能具体。”罗德里格斯说。“斯皮策在我们预期的时间看到了TOI 700d的凌日。这是对任务传承的极大补充,它帮助确认了两颗TRAPPIST-1行星,并确定了另外五颗。”

斯皮策的数据增强了科学家们的信心,他们相信TOI 700d是一颗真正的行星,并将其轨道周期的测量值提高了56%,大小提高了38%。它还排除了其他可能导致凌日信号的天体物理学原因,比如在星系中存在一个更小、更暗的伴星。

罗德里格斯和他的同事们还利用全球拉斯坎布雷斯天文台网络中1米地面望远镜的后续观测,将科学家对TOI 700c的轨道周期和大小的信心分别提高了30%和36%。

由于TOI 700在附近很亮,而且没有恒星耀斑的迹象,该系统是目前地面天文台精确测量质量的首选。这些测量结果可以证实科学家的推测,即内行星和外行星都是由岩石构成的,而中间的行星是由气体构成的。

未来的任务可能能够确定这些行星是否有大气层,如果有的话甚至可以确定它们的组成。

尽管TOI 700 d的确切条件尚不清楚,但科学家可以利用当前信息(例如行星的大小和它所环绕的恒星的类型)来生成计算机模型并进行预测。位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究人员对TOI 700 d的20种潜在环境进行了建模,以评估是否有任何版本会导致表面温度和压力适于居住。

他们的三维气候模型研究了各种表面类型和大气成分,这些类型和大气成分通常与科学家认为可能适合居住的星球有关。由于TOI 700d被潮汐锁定在它的恒星上,这颗行星的云结构和风模式可能与地球截然不同。

其中一个模拟包括一个海洋覆盖的TOI 700d,其大气密度高,以二氧化碳为主,与科学家们推测的火星年轻时的环境相似。模型大气在面向恒星的一侧有一层厚厚的云。另一个模型将TOI 700d描绘成一个无云的、全陆地版的现代地球,风从行星的夜侧吹来,汇聚在直接面向恒星的点上。

当星光穿过行星的大气层时,它会与二氧化碳和氮等分子相互作用,产生独特的信号,称为光谱线。由大学空间研究协会戈达德大学访问助理Gabrielle Engelmann-Suissa领导的建模团队为TOI 700 d的20个建模版本生成了模拟光谱。

“总有一天,当我们拥有来自TOI 700d的真实光谱时,我们可以回溯,将它们与最接近的模拟光谱匹配,然后将其与模型匹配,”Engelmann-Suissa说。“这很令人兴奋,因为不管我们对这个星球发现了什么,它都将与我们在地球上看到的完全不同。”

TESS是NASA的天体物理学探测任务,由麻省理工学院(MIT)领导和运营,由NASA的戈达德太空飞行中心管理。其他合作伙伴包括位于弗吉尼亚州福尔斯彻奇的诺斯罗普·格鲁曼公司、位于加州硅谷的NASA艾姆斯研究中心、马萨诸塞州剑桥的哈佛-史密森天体物理中心、麻省理工学院的林肯实验室、还有巴尔的摩的太空望远镜科学研究所。全世界有十多所大学、研究机构和天文台参与了这项任务。

位于加州帕萨迪纳的喷气推进实验室为位于华盛顿的NASA科学任务理事会管理斯皮策太空望远镜任务。科学运作是在帕萨迪纳加州理工学院的斯皮策科学中心进行的。太空行动基地设在科罗拉多州利特尔顿的洛克希德·马丁太空公司。数据存档于加州理工学院IPAC的红外科学档案。加州理工学院为NASA管理喷气推进实验室。

建模工作是由戈达德的塞勒斯系外环境合作项目资助的,该项目是一个多学科合作项目,汇集了专家来建立全面和复杂的计算机模型,以更好地分析当前和未来的系外行星观测。

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