水的世界在哪里？用新工具找尋

液態(tài)水星球：海水在被太陽染紅的天空下沸騰，太陽近在咫尺 （圖片來自Amanda Smith/ University of Cambridge）

藝術家們設想了一種次海王星（含液態(tài)水）的概念，這種情況下他被稱為Hycean行星。這個星球被水包裹，擁有氫氣大氣層。

水世界？還是厚大氣？

水在太陽系中隨處可見，它們以固液氣體的形態(tài)存在于地球和其他行星上。眾所周知，水是生命之源，那么在更遙遠的恒星系中呢？有多少系外行星中有水呢？水在系外行星是否常見，亦或是稀有？我們無從得知，部分原因是我們很難區(qū)分表面被水的行星和有厚氫氣層的行星。在有潛力突破的研究中，有一個研究團隊已經找到了測量次海王星（包括一些更大的“超地球”行星）上是否有水的方法。

這項研究的報告已經被發(fā)布在天體物理學快報并被公認，現在可以以預印形式在arXiv上閱覽。此研究來自麻省理工加州理工及相關研究所，美國宇航局噴氣推進實驗室的行星科學家Renyu Hu是領頭作者。他在郵件中這樣說道：

我們的發(fā)表的論文主要研究了1.7—3.5倍地球半徑的行星。從Kepler的系外行星調查和許多我們進行的后續(xù)觀察中可以得知，1.7—3.5倍地球半徑的行星與小于1.7倍地球半徑的行星相比數量分布不同。

胡及團隊創(chuàng)造的旨在揭示次海王星上水的世界的虛擬模型被精選在2021年 9月1日的 Inverse 中。

圖文中的術語可能比較難懂。其實超地球、次海王星、迷你海王星的定義之間有部分重疊。超地球與迷你海王星相比有較小的體型上限，但他們的體型和質量都在地球和海王星之間。當你聽到超地球，聯(lián)想一下，可能是一個與地球相似的巖石固態(tài)行星，它的表面可能有海洋；

而當你聽到次海王星或迷你海王星，這可能是一個有或厚或薄大氣層（大概率氫氣）的星球，它的表面也肯有海洋，甚至可能布滿整個行星表面。

兩種系外行星的地層及大氣層截面圖 /迷你海王星上的厚薄大氣層對比圖（圖片來自Renyu Hu 等人）

化學物質及氣體的差異會成為影響一個行星能否承載海洋的關鍵條件。

次海王星上的海洋

次海王星在質量和體積上都大于地球，可能在半徑上小于海王星但在質量上大于海王星，也可能在質量上小于海王星但在體積上大于海王星（超級疏松）。你可以看出系外行星的分類并不簡單。太陽系中沒有次海王星（除非有人找到第九行星并證明它是）。但次海王星和迷你海王星屬于我們在宇宙中能找到的最常見的行星種類之一。我們怎樣才能知道它們的表面是否存在水或海洋，而非厚大氣層呢？這將是我們在探究這些在宇宙中占比極大的行星是否宜居時將面臨的重大問題。

運用他們的新電腦模型，胡和他的團隊發(fā)現10%到20%的次海王星系外行星可能有海洋，可能宜居。數以百萬計的次海王星存在于宇宙中，我們可以推測，有很多類地球的世界。

模擬海洋世界

所以研究員們如何創(chuàng)造工具去判斷哪一個次海王星可能有海洋甚至宜居呢？他們創(chuàng)造了一個電腦模型——一個表面被水的行星繞紅矮星（宇宙中最常見的恒星）公轉。他們調整模型，使此行星繞紅矮星的公轉軌道與地球繞太陽的公轉軌道相同，并在行星上覆蓋一層大氣。

研究院想了解厚薄大氣中的具體物質。他們發(fā)現更厚更稠密的大氣傾向于由氫氣和氦氣構成。薄大氣更可能由二氧化碳或氮氣構成。

大氣層和海洋互相聯(lián)系

在地球上，大氣層和海洋是互相聯(lián)系的，大氣和海洋共同構成了天氣和氣候。不出意料，次海王星上的大氣和海洋也是互相聯(lián)系的。根據胡和團隊的研究，質量和體積在地球和海王星之間，有著由二氧化碳或氮氣構成的大氣層的系外行星上最優(yōu)可能存在海洋。有著由氫氣或氦氣構成的大氣層的系外行星則不太可能，因為大氣底部溫度過高，海洋無法存在。但研究海王星，它有稠厚的大氣層，云層下卻也沒有海洋存在。胡和他的團隊希望會有其他科學家以他們的研究為起點。論文中這樣概括：

收到的恒星輻射大約等于地球的次海王星大小的系外行星的發(fā)現和表征增加了我們在未來十年找到宜居行星的希望，因為這些溫度適宜的行星中可能有一些無大量氫氣或氦氣被封于包層內（使包層底部氣溫不至過高）的行星能支持液態(tài)海洋存在。

這位正裝戴眼鏡的男人就是胡（美國宇航局噴氣推進實驗室）。他帶領了關于迷你海王星的研究

圖片來自美國宇航局噴氣推進實驗室

Hycean 行星上的水世界

順便一提，近期一項研究發(fā)現可能存在另一類被稱為Hycean行星的系外行星。它們是有厚氫氣層且溫度高達200攝氏度（約400華氏度）的迷你海王星或2.6倍地球直徑的超地球。根據研究，一些情況下，這些行星也可能承載全球的海洋。

這項研究可能聽起來與胡提出的相反，因為我們剛剛說到有稠大氣層（如海王星）的行星可能不會有液態(tài)水存在于包層之下。而這顯示了大自然的微妙。一個好的科學家會知道，大自然異于任何計算機模型，也自然還存在沒被考慮到的行星存在水的情況。

他們知道任何一點質量、溫度等的小變化都能引起一個行星水氣循環(huán)的巨大變化。另外，這是一個全新領域，所以天文學家們都在繼續(xù)了解和辯論?？偠灾?，想要探知這類恒星的真面目，還有很多我們要做的努力。

目前已經有4000多顆已經發(fā)現的系外行星。什么時候我們才能知道它們中有多少是有海洋的呢？天文學家們正把目光放在新天文望遠鏡上，例如哈勃望遠鏡的繼任者——詹姆斯韋伯望遠鏡（2021年12月25日發(fā)射）上。他們希望韋伯望遠鏡能夠分析這些遙遠世界的大氣層并判斷其中哪些有能夠支撐海洋存在的大氣。

哪里會有水的世界呢？一個藍色星球上散布著白色云帶，太陽在遠處。

藝術家們設想了一個迷你海王星。研究提出這種星球上可能表面被水。圖片來自ESA/ Hubble, M. Kornmesser/ Astronomy

最后：次海王星上可能有海洋嗎？一項由眾研究所共同進行的研究提出它們中有多達20%的行星可能有液態(tài)海洋，甚至可能宜居。

BY: Paul Scott Anderson

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