生命之源，何处可寻？新工具来相助

水的世界在哪里？用新工具找寻

液态水星球：海水在被太阳染红的天空下沸腾，太阳近在咫尺 （图片来自Amanda Smith/ University of Cambridge）

艺术家们设想了一种次海王星（含液态水）的概念，这种情况下他被称为Hycean行星。这个星球被水包裹，拥有氢气大气层。

水世界？还是厚大气？

水在太阳系中随处可见，它们以固液气体的形态存在于地球和其他行星上。众所周知，水是生命之源，那么在更遥远的恒星系中呢？有多少系外行星中有水呢？水在系外行星是否常见，亦或是稀有？我们无从得知，部分原因是我们很难区分表面被水的行星和有厚氢气层的行星。在有潜力突破的研究中，有一个研究团队已经找到了测量次海王星（包括一些更大的“超地球”行星）上是否有水的方法。

这项研究的报告已经被发布在天体物理学快报并被公认，现在可以以预印形式在arXiv上阅览。此研究来自麻省理工加州理工及相关研究所，美国宇航局喷气推进实验室的行星科学家Renyu Hu是领头作者。他在邮件中这样说道：

我们的发表的论文主要研究了1.7—3.5倍地球半径的行星。从Kepler的系外行星调查和许多我们进行的后续观察中可以得知，1.7—3.5倍地球半径的行星与小于1.7倍地球半径的行星相比数量分布不同。

胡及团队创造的旨在揭示次海王星上水的世界的虚拟模型被精选在2021年 9月1日的 Inverse 中。

图文中的术语可能比较难懂。其实超地球、次海王星、迷你海王星的定义之间有部分重叠。超地球与迷你海王星相比有较小的体型上限，但他们的体型和质量都在地球和海王星之间。当你听到超地球，联想一下，可能是一个与地球相似的岩石固态行星，它的表面可能有海洋；

而当你听到次海王星或迷你海王星，这可能是一个有或厚或薄大气层（大概率氢气）的星球，它的表面也肯有海洋，甚至可能布满整个行星表面。

两种系外行星的地层及大气层截面图 /迷你海王星上的厚薄大气层对比图（图片来自Renyu Hu 等人）

化学物质及气体的差异会成为影响一个行星能否承载海洋的关键条件。

次海王星上的海洋

次海王星在质量和体积上都大于地球，可能在半径上小于海王星但在质量上大于海王星，也可能在质量上小于海王星但在体积上大于海王星（超级疏松）。你可以看出系外行星的分类并不简单。太阳系中没有次海王星（除非有人找到第九行星并证明它是）。但次海王星和迷你海王星属于我们在宇宙中能找到的最常见的行星种类之一。我们怎样才能知道它们的表面是否存在水或海洋，而非厚大气层呢？这将是我们在探究这些在宇宙中占比极大的行星是否宜居时将面临的重大问题。

运用他们的新电脑模型，胡和他的团队发现10%到20%的次海王星系外行星可能有海洋，可能宜居。数以百万计的次海王星存在于宇宙中，我们可以推测，有很多类地球的世界。

模拟海洋世界

所以研究员们如何创造工具去判断哪一个次海王星可能有海洋甚至宜居呢？他们创造了一个电脑模型——一个表面被水的行星绕红矮星（宇宙中最常见的恒星）公转。他们调整模型，使此行星绕红矮星的公转轨道与地球绕太阳的公转轨道相同，并在行星上覆盖一层大气。

研究院想了解厚薄大气中的具体物质。他们发现更厚更稠密的大气倾向于由氢气和氦气构成。薄大气更可能由二氧化碳或氮气构成。

大气层和海洋互相联系

在地球上，大气层和海洋是互相联系的，大气和海洋共同构成了天气和气候。不出意料，次海王星上的大气和海洋也是互相联系的。根据胡和团队的研究，质量和体积在地球和海王星之间，有着由二氧化碳或氮气构成的大气层的系外行星上最优可能存在海洋。有着由氢气或氦气构成的大气层的系外行星则不太可能，因为大气底部温度过高，海洋无法存在。但研究海王星，它有稠厚的大气层，云层下却也没有海洋存在。胡和他的团队希望会有其他科学家以他们的研究为起点。论文中这样概括：

收到的恒星辐射大约等于地球的次海王星大小的系外行星的发现和表征增加了我们在未来十年找到宜居行星的希望，因为这些温度适宜的行星中可能有一些无大量氢气或氦气被封于包层内（使包层底部气温不至过高）的行星能支持液态海洋存在。

这位正装戴眼镜的男人就是胡（美国宇航局喷气推进实验室）。他带领了关于迷你海王星的研究

图片来自美国宇航局喷气推进实验室

Hycean 行星上的水世界

顺便一提，近期一项研究发现可能存在另一类被称为Hycean行星的系外行星。它们是有厚氢气层且温度高达200摄氏度（约400华氏度）的迷你海王星或2.6倍地球直径的超地球。根据研究，一些情况下，这些行星也可能承载全球的海洋。

这项研究可能听起来与胡提出的相反，因为我们刚刚说到有稠大气层（如海王星）的行星可能不会有液态水存在于包层之下。而这显示了大自然的微妙。一个好的科学家会知道，大自然异于任何计算机模型，也自然还存在没被考虑到的行星存在水的情况。

他们知道任何一点质量、温度等的小变化都能引起一个行星水气循环的巨大变化。另外，这是一个全新领域，所以天文学家们都在继续了解和辩论。总而言之，想要探知这类恒星的真面目，还有很多我们要做的努力。

目前已经有4000多颗已经发现的系外行星。什么时候我们才能知道它们中有多少是有海洋的呢？天文学家们正把目光放在新天文望远镜上，例如哈勃望远镜的继任者——詹姆斯韦伯望远镜（2021年12月25日发射）上。他们希望韦伯望远镜能够分析这些遥远世界的大气层并判断其中哪些有能够支撑海洋存在的大气。

哪里会有水的世界呢？一个蓝色星球上散布着白色云带，太阳在远处。

艺术家们设想了一个迷你海王星。研究提出这种星球上可能表面被水。图片来自ESA/ Hubble, M. Kornmesser/ Astronomy

最后：次海王星上可能有海洋吗？一项由众研究所共同进行的研究提出它们中有多达20%的行星可能有液态海洋，甚至可能宜居。

BY: Paul Scott Anderson

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