星辰深處，是否也有大海

【圖解】地球旁邊，是一個(gè)有著平坦的大氣的更大的行星——亞海王星的示例模型。亞海王星是比海王星小但比地球大的行星。它們通常是地球直徑的1.7-3.5倍。美國(guó)宇航局一項(xiàng)新的研究表明，天文學(xué)家可以通過(guò)分析大氣的化學(xué)成分來(lái)探測(cè)一些這類(lèi)星球上的海洋。（來(lái)源：NASA/ JPL-Caltech，圖源：EarthSky）

譯者注：來(lái)源為文章標(biāo)明圖片作者，或作品發(fā)布方；圖源表示獲取的網(wǎng)站、平臺(tái)；不確定填哪一個(gè)

我們所居住的地球是太陽(yáng)系中唯一表面存在液態(tài)水的星球，在太陽(yáng)系中，地球上的海洋是獨(dú)一無(wú)二的。但是科學(xué)家們認(rèn)為，在銀河系的其他地方，可能還存在著其他的海洋世界。2021年10月下旬，美國(guó)宇航局發(fā)布了一項(xiàng)新的研究，科學(xué)家可以通過(guò)使用化學(xué)方法在遙遠(yuǎn)的系外行星上找到隱藏的海洋。該研究表明，表面覆蓋著海洋的星球與不存在海洋的星球相比，其大氣的化學(xué)成分存在著顯著的差異。

新的同行評(píng)議論文在10月28日發(fā)表于《The Astrophysical Journal Letters》（ApJL，2020年影響因子7.413），它同樣可以作為一個(gè)預(yù)印本，在arXiv網(wǎng)站上獲得。

譯者注：主要是因?yàn)橹髁鲗W(xué)術(shù)期刊發(fā)表周期太長(zhǎng)。為了加快學(xué)術(shù)流通而創(chuàng)建的一個(gè)平臺(tái)，方便學(xué)者們的溝通交流，arXiv主要是作為一個(gè)論文未發(fā)表之前的一個(gè)交流平臺(tái)而存在的，并不屬于一個(gè)正式的發(fā)表渠道。

潛藏的外域海洋

這項(xiàng)新的研究表明，天文學(xué)家可以通過(guò)分析系外行星的大氣化學(xué)成分來(lái)探測(cè)海洋。一般來(lái)著，這個(gè)方法可能適用于類(lèi)地行星、超級(jí)地球或是亞海王星（半徑小于海王星但大于地球的行星）。本文重點(diǎn)關(guān)注直徑為地球直徑1.7-3.5倍的行星。帶有光譜儀的望遠(yuǎn)鏡可以識(shí)別出一些行星大氣的化學(xué)成分，其中包括即將推出的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）。它們可以分辨行星大氣中的氧氣、二氧化碳或是甲烷等氣體成分，這些氣體的存在代表著那里可能存在著生命。

這很讓人激動(dòng)，但這樣的化學(xué)分析也可以揭示這些行星的其他信息，它可能會(huì)引導(dǎo)天文學(xué)家找到海洋，也對(duì)其生物宜居性存在影響。

【圖解】當(dāng)我們描述不同類(lèi)型的系外行星，我們常常會(huì)用“熱類(lèi)木星”、“暖海王星”、“超級(jí)地球”等詞是什么意思呢？在研究系外行星時(shí)，參考我們自己的太陽(yáng)系中熟悉的行星會(huì)對(duì)研究有所幫助，因此會(huì)使用這樣的定義方式。（來(lái)源：NASA，圖源：Youtube）

過(guò)熱還是過(guò)冷？

至少在某些情況下，太空望遠(yuǎn)鏡可以協(xié)助確定這些系外行星表面是否存在液態(tài)水。更具體地說(shuō)，通過(guò)分析大氣中的化學(xué)物質(zhì)，科學(xué)家可以估測(cè)系外行星的表面溫度，進(jìn)而分析這對(duì)于液態(tài)水而言是否溫度過(guò)高

那么哪些化學(xué)物質(zhì)可能預(yù)示著云層之下可能存在著海洋呢？一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是大氣中的二氧化碳和氮?dú)猓渲械獨(dú)夥肿佑蓛蓚€(gè)氮原子構(gòu)成。它們的存在將證明這顆行星的大氣層更冷且更薄，即更像地球等類(lèi)地行星上的大氣層。這將表明這顆系外行星上尚未發(fā)生熱化學(xué)平衡（化學(xué)平衡）。

在熱化學(xué)平衡中，大氣的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。這種情況在亞海王星較為常見(jiàn)，這時(shí)那些行星的大氣層主要由氫氣構(gòu)成，此時(shí)碳和氮以甲烷和氨氣的形式存在，大氣層明顯更厚。

在這種情況下，和我們太陽(yáng)系種氣體巨星和冰巨星上的大氣層一樣，濃厚的大氣會(huì)捕獲熱量。當(dāng)溫度達(dá)到1430華氏度（770攝氏度）時(shí)，會(huì)發(fā)生熱化學(xué)平衡。這太熱了，液態(tài)水海洋無(wú)法在這種星球存在。

【圖解】這項(xiàng)關(guān)于系外行星海洋的研究由美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室胡倫宇（Renyu Hu）領(lǐng)導(dǎo)。（來(lái)源：JPL-Caltech，圖源：researchgate）

氨氣含量差異

可能存在海洋的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)時(shí)大氣中缺少某一種物質(zhì)：氨氣。由于氨氣極易溶于水，因此在有海洋的星球的大氣中，氨氣幾乎不存在。同時(shí)，海洋的pH（酸堿性）水平也會(huì)影響氨氣的含量（如果存在的話）。

此外，海洋星球大氣中的二氧化碳含量應(yīng)比一氧化碳多。如果一顆星球的大氣中既缺少氨氣又有過(guò)量的二氧化碳，這將是這個(gè)星球存在海洋的有力證據(jù)。正如領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的胡倫宇（Renyu Hu）所說(shuō)：

“如果我們觀察到熱化學(xué)平衡的特征，我們會(huì)得到結(jié)論，這顆行星太熱而不可居住。反之，如果在一顆系外行星上沒(méi)有觀察到熱化學(xué)平衡的特征，也沒(méi)有觀測(cè)到有氣體溶解于液體海洋中的大氣特征，那么我們將認(rèn)為它有極高的可能性是宜居的。

“我們還沒(méi)有直接的觀測(cè)證據(jù)來(lái)表明亞海王星的共同物理特征是什么。其中的許多可能有大量的氫氣大氣層，但仍有不少可能是“海洋行星”。我希望在不久的將來(lái)，這篇文章能激發(fā)更多的觀測(cè)，進(jìn)而得到問(wèn)題的答案?！?/p>

【圖解】亞海王星類(lèi)型行星的藝術(shù)概念，全球覆蓋著海洋。（來(lái)源：Amanda Smith/ University of Cambridge，圖源：EarthSky）

未來(lái)展望

NASA的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）將于12月18日發(fā)射，它將配備一個(gè)能夠分析一些星球大氣的光譜儀。如文章所述：

“這些氣體在行星的透射光譜中產(chǎn)生了獨(dú)特的特征，使用詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行適度數(shù)量的重復(fù)凌日觀測(cè)應(yīng)該可以區(qū)分星球上的小型大氣層與K2-18 b等行星上的巨大大氣層。因此，這種方法提供了一種使用最新設(shè)備測(cè)定亞海王星型系外行星的大氣質(zhì)量和宜居性的方法?！?/p>

換句話說(shuō)，使用化學(xué)方法，JWST能夠識(shí)別大氣中可能證明系外行星存在海洋的跡象?？纯碕WST在未來(lái)幾個(gè)月或是幾年中會(huì)發(fā)現(xiàn)什么，這將會(huì)是十分振奮人心的。

一句話總結(jié)：美國(guó)宇航局的科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，使用化學(xué)方法，能在遙遠(yuǎn)的系外行星上找到隱藏的海洋。存在海洋的星球與沒(méi)有海洋的星球的大氣成分截然不同，其中包括氨氣的匱乏。

（注：使用光譜成像儀探測(cè)氣體成分的方法探測(cè)氣體成分，并以氣體成分含量與存在海洋的相關(guān)關(guān)系得到存在海洋的可能性，除了熱化學(xué)平衡相關(guān)內(nèi)容，其他內(nèi)容和化學(xué)學(xué)科的相關(guān)性感覺(jué)真的不高啊……）

BY: Paul Scott Anderson

FY: Aphelion

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