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天文学家发现110光年外宜居行星上存在水,可能是宜居的大号地球

这是科学家首次对一颗行星做出这样的发现,该行星与恒星的距离意味着理论上它的表面可能有液态水。

即天文学家首次在太阳系外的一颗可能适宜人类居住的行星上发现了水存在的证据。

这一发现表明,围绕一颗距地球110光年的红矮星运行的行星K2-18b的大气层中含有水蒸气。

这是第一次发现行星位于我们所认为的宜居带上。相关研究的两篇论文一篇发表在《自然天文学》上,一篇上传在arXiv网站上。

来自伦敦大学的系外行星科学家、《自然天文学》论文的第一作者安杰洛斯·齐阿拉斯(Angelos Tsiaras)说:“这是目前我们所知道的太阳系外唯一一颗温度适宜于支持水存在的行星,它有大气层,也有水,这使得它成为我们目前所知最适宜居住的行星。”

尽管这两篇论文都认为K2-18b行星含有水分,但它们的研究方法完全不同,而且它们的研究结果对行星本身的整体结构也有不同见解。

两组科学家一致认为K2-18b不是另一个地球。这颗系外行星的质量是地球的8倍体积是地球的两倍。它非常接近它的主恒星(轨道周期为33天),但这颗恒星的大小和温度只有太阳的一半K2-18b的存在在2015年得到证实,随后的研究表明,它是岩石结构的,可能拥有“重要的气态外层或海洋”。

两组研究人员都通过观哈勃望远镜的数据,来观察K2-18b行星在环绕主恒星公转时的恒星凌日。当恒星光穿过行星的大气层时,由于不同的大气元素和化合物的存在,恒星光就会分散开来。科学家可以通过分析这种散射来确定行星的大气层是由什么构成的。蒙特利尔大学系外行星研究人员、arXiv论文的第一作者比约恩·本内克(Bjorn Benneke)领导的研究小组还取得了开普勒和斯皮策太空望远镜的数据。

《自然天文学》杂志上发表的论文经过同行评议,所以结果也更保守:K2-18b行星的大气中存在大量的水。尽管研究人员推测,水要么只占大气的0.01%,要么多达50%。

Tsiaras和他的团队认为,这颗行星很可能是一个岩石构成的“超级地球”,它的大气层要么以水为主,要么与氮等透明气体混合而形成大量的云。大气中的水可能是行星表面存在液态水的有力证据(可能被海洋完全覆盖),但目前还不清楚。

与此同时,Benneke和他的团队对K2-18b行星的云层是由大量的水组成的这一结论也进行了深入的研究。他们还提出了一个更加奇异的版本。他们的模型结合了开普勒和斯皮策太空望远镜的数据,认为K2-18b行星是一个“迷你海王星”,由一个包裹在气体外壳中的小冰球或岩石内核组成。在大气的某些层中,水蒸气能够凝结成水滴。Benneke说,从天体生物学的角度来看,这要重要得多。是液态水的存在,而不是水蒸气,使生命得以产生。K2-18b行星可能是漂浮在大气层中的微观生命的家园,即它们以云层中的凝结水滴为家。

这两篇论文都受到当前技术的限制。事实上,哈勃现在已经算是古董了。哈勃太空望远镜的照相机原本并不是打算用于这类研究的,而且在观测分析中,没有几个软件可以模拟110光年外的大气层。

开普勒和斯皮策太空望远镜可以进行观测的范围更大(因此才有了arXiv论文的云形成模型),但它们不如哈勃精确。我们还不知道该星球上的气温如何(Tsiaras团队认为在-73到47°C之间)、水蒸气在大气中的精确比例、大气中还有什么其他化合物、是否是潮汐锁定的行星等等,对于任何上述或其他特征的发现都将描绘一幅更清晰的宜居K2-18b行星的画面。

地面望远镜或许能做一些有用的观测,但实际上很难穿过地球大气层有效观测另一个行星的大气层。比如智利北部的超大望远镜和夏威夷的30米望远镜,可能在研究K2-18b行星方面会有所收获,但这两种望远镜都要到下个十年的后半段才能投入使用。

因此,目前最好的选择是用哈勃望远镜的两个继任者进行后续观测:詹姆斯·韦伯太空望远镜和欧洲航天局的爱丽儿太空望远镜(ARIEL Space Telescope)。前者计划于2021年发射进入轨道,但一再被推迟;后者计划于2029年发射。两者都将能够更精确、更广泛地在电磁波谱上进行观测,识别大气中更多类型的分子,如二氧化碳、甲烷或氨。这些望远镜还将帮助我们对k2 -18b行星的含水量和结构有更具体的了解,无论这颗行星最终是超级地球还是迷你海王星

我们仍然可以用哈勃望远镜来做这样的创新科学,而在未来十年内即将陆续服役的望远镜和探测设备将在测量精度上比哈勃提高多个数量级,这使得对55颗处于宜居带系外行星进行详细研究变得更加容易。

就目前而言,在另一颗行星的大气层中发现存在水的证据是既罕见又令人惊喜,这本身就有助于激发足够的兴趣,让这类研究在未来十年新技术上线后继续进行下去。

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