本文來(lái)自公眾號(hào)：原理（ID：principia1687），編譯：Zwicky，封面：ESA/Hubble, M. Kornmesser
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在太陽(yáng)系之外，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)量已經(jīng)超過了4000顆，它們都圍繞著其他的恒星運(yùn)轉(zhuǎn)。遺憾的是，我們對(duì)這些行星卻知之甚少——大多數(shù)情況下我們只知道它們的質(zhì)量和半徑。
但如果我們想要知道一顆行星是否能夠孕育出生命，就需要更多的信息。特別是，天文學(xué)家想要知道這些行星上是否有大氣層的存在，以及如果有，那它們的成分和構(gòu)成是什么。這是目前我們?nèi)笔Ф株P(guān)鍵的信息，因?yàn)榇髿庵腥绻兴?、氧氣和甲烷，就意味著這顆行星或許可以支持生命的發(fā)展。
一顆行星所具有的大氣層（如果有），在塑造其內(nèi)部環(huán)境或地表生態(tài)方面起著關(guān)鍵作用。它的成分、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)都提供了重要的線索，讓我們有機(jī)會(huì)了解它是什么樣的。因此，通過大氣研究，我們就可以了解這顆行星的歷史，研究它的可宜居程度，并最終探索生命的跡象。
天文學(xué)家研究系外行星的主要方法是凌日光譜法。當(dāng)一顆行星運(yùn)行到它繞其運(yùn)轉(zhuǎn)的母星和地球的中間時(shí)，便是所謂的凌日。當(dāng)凌日發(fā)生時(shí)，一小部分的星光會(huì)經(jīng)過行星的大氣層，并與大氣層內(nèi)所含有的化學(xué)元素相互作用。星光會(huì)被大氣內(nèi)的原子或分子吸收或偏轉(zhuǎn)。
在凌日期間，天文學(xué)家通過觀測(cè)星光，可以在恒星光譜中找到系外星系大氣的痕跡。每一種元素都會(huì)在光譜上留下獨(dú)特的吸收線，這些吸收線揭示了大氣的成分。
目前，對(duì)系外行星大氣的研究是有限的，因?yàn)檫@種測(cè)量需要非常高的精度，這是現(xiàn)有儀器所無(wú)法達(dá)到的。但最近，研究人員已經(jīng)在類似木星或海王星的氣態(tài)行星大氣層中發(fā)現(xiàn)了水的分子特征，此前從未在較小的行星中發(fā)現(xiàn)過。
在一項(xiàng)發(fā)表在《自然天文》的新研究中，科學(xué)家第一次成功地在一顆可能適宜居住的系外行星中，探測(cè)到了大氣層中的水蒸氣。
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2015年，系外行星捕手——開普勒太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了K2-18b，這是它發(fā)現(xiàn)的數(shù)百顆“超級(jí)地球”中的一員。超級(jí)地球是指介于地球和海王星之間的行星。
K2-18b距離地球110光年之外，它圍繞著一顆溫度遠(yuǎn)低于太陽(yáng)的昏暗紅矮星運(yùn)行。K2-18b的質(zhì)量是地球的8倍，半徑是地球的2.5倍，它的公轉(zhuǎn)周期是33個(gè)地球日，所以那里的一年相當(dāng)于地球上的一個(gè)月。
此外，這顆星球與其母星的距離使它恰好處于“宜居帶”，這意味著它有適合的溫度來(lái)維持液態(tài)水。
2016年和2017年，天文學(xué)家Bj?rn Benneke領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡探測(cè)K2-18b，以尋找行星經(jīng)過其母星前大氣層的跡象。行星大氣中的分子吸收了恒星特定波長(zhǎng)的光，提醒天文學(xué)家注意它們的存在。
新論文的第一作者Angelos Tsiaras和他的同事從一個(gè)公共檔案中獲取了數(shù)據(jù)，并使用專門設(shè)計(jì)的軟件進(jìn)行分析。他們發(fā)現(xiàn)，這顆行星有大氣層，并且發(fā)現(xiàn)了水蒸氣分子的特征。此外，大氣中還包含了氧和氦。
這是研究人員首次成功在一顆非氣態(tài)行星周圍，探測(cè)到了包含水蒸氣的大氣層。
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這是否意味著K2-18b是一顆宜居星球，且能夠發(fā)展出生命？
要定義一顆系外行星為宜居行星，需要滿足許多的要求。例如：
行星需要處于可以維持液態(tài)水的宜居帶；
行星需要有一個(gè)大氣層，能夠保護(hù)它們不受來(lái)自母星的任何有害輻射；
行星需要存在液態(tài)水，因?yàn)樗畬?duì)生命至關(guān)重要；在宇宙中，水蒸氣非常普遍，但要制造出液態(tài)水卻不容易，因?yàn)檫@需要有適當(dāng)?shù)膲簭?qiáng)和溫度；
其他的標(biāo)準(zhǔn)，比如大氣中是否存在氧氣等。
Tsiaras表示，到目前為止，我們觀測(cè)到有大氣層并包含水的行星都是氣態(tài)巨行星，它們與木星、土星和海王星更為相似。K2-18b是目前我們所觀測(cè)到的最宜居的候選行星，因?yàn)樗俏ㄒ灰活w滿足三個(gè)宜居條件的系外行星：適宜的溫度、大氣和水的存在。
但是，根據(jù)目前所收集到的數(shù)據(jù)，我們還不能夠確切地說(shuō)出這顆行星有多大的概率能支持生命的存在。因?yàn)殛P(guān)于K2-18b還有許多未知。它可能是由巖石構(gòu)成，有很大的大氣層，但也有可能它是一個(gè)大部分或者全部被水覆蓋的“水世界”。
Benneke和他的同事更進(jìn)一步用斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了K2-18b。結(jié)合哈勃、斯皮策和開普勒的數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)在行星大氣的某個(gè)層上形成了云，吸收的星光比其他層更多。當(dāng)他們模擬該星球的氣候時(shí)，發(fā)現(xiàn)云層凝結(jié)的區(qū)域有適合的壓強(qiáng)和溫度以形成液態(tài)水，這意味著這顆星球上很可能有液態(tài)雨滴。
Benneke認(rèn)為，這些雨滴可能永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上。相反，當(dāng)它們抵達(dá)大氣層中的某一個(gè)點(diǎn)時(shí)，由于那里的壓強(qiáng)和溫度非常高，水滴便會(huì)蒸發(fā)掉。然后水又會(huì)上升到大氣中，凝結(jié)成云，然后又會(huì)降下來(lái)。但并不是所有的系外行星專家都同意Benneke的結(jié)論。
未來(lái)，通過如JWST和ARIEL等下一代望遠(yuǎn)鏡，我們將能發(fā)現(xiàn)更多關(guān)于K2-18b的化學(xué)成分、云層覆蓋和大氣結(jié)構(gòu)的信息。這將有助于我們了解它到底有多適合居住。
在可預(yù)見的未來(lái)，我們無(wú)法發(fā)射任何探測(cè)器前往110光年之外的K2-18b。但我們卻可以發(fā)現(xiàn)跟它類似，卻離我們要近得多的行星。終有一天，我們將有機(jī)會(huì)回答一個(gè)最古老的問題——我們?cè)谟钪嬷惺欠袷枪陋?dú)的？
參考來(lái)源：
https://www.nature.com/articles/s41550-019-0878-9
https://arxiv.org/pdf/1909.04642.pdf
https://www.sciencenews.org/article/first-known-exoplanet-rain-clouds-water-droplets
https://theconversation.com/how-we-detected-water-on-a-potentially-habitable-exoplanet-for-the-first-time-123239
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