研究发现，银河系中的“水世界”可能和地球一样多

2022年7月12日，NASA公布了詹姆斯·韦伯太空望远镜获得的第一批图像，这些图像是在其运行的头六个月中拍摄的。在它的许多科学目标中，韦伯将寻找更小的、离太阳更近的岩石行星 —— 特别是较暗的M型（红矮星）恒星，这是宇宙中最常见的。这将帮助天文学家完成系外行星的普查，并更好地了解那里存在的星球类型。天文学家尤其好奇的是，我们银河系中究竟有多少类地行星是真正的“水世界”。

上图：艺术家笔下的水世界奇异景观。

这些岩石行星比地球大，但密度较低，这表明像水这样的挥发物占据了它们质量分数的很大一部分（至多一半）。根据芝加哥大学和 Astrofísica de Canarias 研究所（IAC）的研究人员最近的一项研究，水世界可能和“类地球”的岩石行星一样常见。这些发现支持了太阳系中类似于冰卫星（如木卫二）的系外行星的情况，并可能对未来的系外行星研究和宇宙中生命的搜索产生重大影响。

该研究由芝加哥大学和安达卢西亚天文研究所（IAA-CSIC）的研究人员拉斐尔·卢克（Rafael Luque）和 IAC 和拉拉古纳大学 (ULL) 的恩里克·帕莱（Enric Pallé）领导。他们的研究成果最近发表在《科学》杂志上，题为《密度，而不是半径，区分围绕M矮星运行的岩石小行星和富含水的小行星》。为了进行研究，卢克和帕莱分析了系外行星目录中所有43颗围绕M型恒星运行的岩质系外行星的质量和半径，M型恒星约占银河系恒星的80%。

上图：M星周围行星的平均密度分布，可以清楚地区分不同类型的行星（岩石行星、水世界和迷你海王星）。

这项研究将 NASA 的凌日系外行星调查卫星 (TESS) 获得的凌日数据，与西班牙南部卡拉尔阿尔托天文台的 3.5 m 望远镜上的 CARMENES 光谱仪测量的径向速度相结合。这使他们能够准确测量这些行星的大小和质量，从而可以限制它们的质量分数（密度）。他们的分析发现，其中很大一部分的密度相对于它们的大小来说太轻了，不可能完全由岩石组成。

因此，他们推断这些系外行星一定是由一半岩石和一半水或其他较轻的分子（如甲烷、氨和其他挥发性元素）组成的。拉斐尔·卢克在最近的IAC新闻稿中解释道：

“我们已经发现了第一个实验证据，证明存在大量的水世界，而且它们实际上几乎和类地行星一样丰富。我们发现，区分干行星和湿行星的是行星的密度，而不是之前认为的行星半径。地球是一颗干燥的行星，尽管它的表面大部分被水覆盖，这让它看起来非常潮湿。地球上的水只占其总质量的0.02%，而在这些水世界中，水占地球总质量的50%。”

然而，M型恒星周围的行星通常轨道非常近，以致于它们被潮汐锁定，其中一边一直面向太阳。在这个距离下，行星表面的任何水都可能以超临界气相的形式存在，从而增大了它们的体积。因此，卢克和帕莱从理论上推断，在这个种群中，水被束缚在岩石上，或在地表以下以封闭的体积存在，而不是以表面的海洋、湖泊和河流的形式存在。这些情况与科学家观察到的太阳系外冰卫星类似，就像木星的卫星木卫二和土星的卫星土卫六。

上图：艺术家描绘的水世界的情景，其中一半的质量由水组成。 这颗行星被潮汐力束缚在它的恒星上，并且总是向它的主恒星展示同一张脸。

考虑到它们被太阳潮汐锁住，这些行星面向太阳的一面可能也有液体海洋，但其他地方的表面都是冰冻的 —— 俗称“眼球行星”。虽然天文学家已经推测过这类系外行星的存在，但这些发现构成了对这种新型系外行星的首次确认。他们也支持了越来越多关于水世界形成于恒星系统中所谓的“雪线”（挥发性元素凝固成固体的边界）之外，然后向它们的恒星迁移的说法。恩里克·帕莱说：

“我们已经发现，围绕这类恒星运行的小行星可以分为三个不同的家族：与地球非常相似的岩石行星；质量一半由水组成的行星，我们称之为水世界；以及具有扩展的氢和/或氦大气的微型海王星。系外行星的大小和密度分布是在离恒星不同距离的行星形成的结果，而不是由大气的存在或不存在造成的。”

拉斐尔·卢克补充说：“由于我们测量的质量和半径的不确定性，一颗行星有时可能属于不止一个类别（陆地、水世界等）。 当我们像在这里所做的那样观察行星种群时，我们才能发现不同、不同成分的模式。”

根据研究人员的说法，下一步将是更多地了解水世界的内部结构。这就需要找出水储存在哪里，以及这些行星是否有可探测到的超临界水蒸气的稀薄大气。这与天文学家在木卫二和其他冰冻卫星上观测到的情况类似，这些卫星也有稀薄的水蒸气和氧气大气层。后一种气体是由光解产生的，暴露在太阳辐射下会导致水分子分解成氧和氢（后者会消失在太空中）。

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）拥有先进的红外成像仪和光谱仪，是进行这些调查的理想选择。几个地面天文台，如超大望远镜（ELT）、巨型麦哲伦望远镜（GMT）和30米望远镜（TMT），将能够在其冕状仪和先进光谱仪的帮助下直接成像这些系外行星。这些研究将获得来自遥远系外行星的光谱，并允许天文学家以前所未有的方式描述它们的大气和表面特征。卢克强调：“这也是理解我们的发现是否也适用于其他类型恒星周围的小行星的基础。测量大恒星周围的小行星的确切质量更加困难，但使用最新一代的超稳定光谱仪，数据应该很快就能得到。”

上图：TRAPPIST-1 系统（TRAPPIST-1d 和 TRAPPIST-1f）中两颗系外行星的想象图。

未来，对M型恒星周围岩质行星的调查，将包括太阳系外最近的系外行星。这不是别人，正是比邻星b，这是一颗岩石行星，距离我们仅4.25光年，位于邻近的半人马座比邻星系统中。自2016年被证实以来，科学家们一直在试图了解更多关于它的组成，以衡量它的潜在宜居性。此外，Trappist-1 的七岩石行星系统也会引起人们的兴趣，因为科学家们推测，其中一些行星可能是“干眼球”和“湿眼球”行星。

随着发现的系外行星的数量达到数万颗，未来几年有望成为重大发现的时期！有了这么多可供研究的行星，对太阳系外生命的探索也有望进一步加速，甚至可能提供生命存在的第一个证据！

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