星辰深處，是否也有大海

【圖解】地球旁邊，是一個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。美國宇航局一項新的研究表明，天文學(xué)家可以通過分析大氣的化學(xué)成分來探測一些這類星球上的海洋。（來源：NASA/ JPL-Caltech，圖源：EarthSky）

譯者注：來源為文章標(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；不確定填哪一個

我們所居住的地球是太陽系中唯一表面存在液態(tài)水的星球，在太陽系中，地球上的海洋是獨一無二的。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，美國宇航局發(fā)布了一項新的研究，科學(xué)家可以通過使用化學(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預(yù)印本，在arXiv網(wǎng)站上獲得。

譯者注：主要是因為主流學(xué)術(shù)期刊發(fā)表周期太長。為了加快學(xué)術(shù)流通而創(chuàng)建的一個平臺，方便學(xué)者們的溝通交流，arXiv主要是作為一個論文未發(fā)表之前的一個交流平臺而存在的，并不屬于一個正式的發(fā)表渠道。

潛藏的外域海洋

這項新的研究表明，天文學(xué)家可以通過分析系外行星的大氣化學(xué)成分來探測海洋。一般來著，這個方法可能適用于類地行星、超級地球或是亞海王星（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，但這樣的化學(xué)分析也可以揭示這些行星的其他信息，它可能會引導(dǎo)天文學(xué)家找到海洋，也對其生物宜居性存在影響。

【圖解】當(dāng)我們描述不同類型的系外行星，我們常常會用“熱類木星”、“暖海王星”、“超級地球”等詞是什么意思呢？在研究系外行星時，參考我們自己的太陽系中熟悉的行星會對研究有所幫助，因此會使用這樣的定義方式。（來源：NASA，圖源：Youtube）

過熱還是過冷？

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，通過分析大氣中的化學(xué)物質(zhì)，科學(xué)家可以估測系外行星的表面溫度，進(jìn)而分析這對于液態(tài)水而言是否溫度過高

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？一項發(fā)現(xiàn)是大氣中的二氧化碳和氮氣，其中氮氣分子由兩個氮原子構(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，這時那些行星的大氣層主要由氫氣構(gòu)成，此時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，和我們太陽系種氣體巨星和冰巨星上的大氣層一樣，濃厚的大氣會捕獲熱量。當(dāng)溫度達(dá)到1430華氏度（770攝氏度）時，會發(fā)生熱化學(xué)平衡。這太熱了，液態(tài)水海洋無法在這種星球存在。

【圖解】這項關(guān)于系外行星海洋的研究由美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室胡倫宇（Renyu Hu）領(lǐng)導(dǎo)。（來源：JPL-Caltech，圖源：researchgate）

氨氣含量差異

可能存在海洋的另一個關(guān)鍵指標(biāo)時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，海洋的pH（酸堿性）水平也會影響氨氣的含量（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量的二氧化碳，這將是這個星球存在海洋的有力證據(jù)。正如領(lǐng)導(dǎo)這項研究的美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）的胡倫宇（Renyu Hu）所說：

“如果我們觀察到熱化學(xué)平衡的特征，我們會得到結(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有觀察到熱化學(xué)平衡的特征，也沒有觀測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。

“我們還沒有直接的觀測證據(jù)來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，這篇文章能激發(fā)更多的觀測，進(jìn)而得到問題的答案?！?/p>

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

未來展望

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)備測定亞海王星型系外行星的大氣質(zhì)量和宜居性的方法。“

換句話說，使用化學(xué)方法，JWST能夠識別大氣中可能證明系外行星存在海洋的跡象。看看JWST在未來幾個月或是幾年中會發(fā)現(xiàn)什么，這將會是十分振奮人心的。

一句話總結(jié)：美國宇航局的科學(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氣體成分的方法探測氣體成分，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)性感覺真的不高啊……）

BY: Paul Scott Anderson

FY: Aphelion

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