存在水的系外行星!它会是另一颗地球吗?

2019.09.12
存在水的系外行星!它会是另一颗地球吗?
行星K2-18b正绕着母恒星:一颗暗淡的红矮星旋转。这是目前已知的第一颗大气层中含有水蒸气的系外行星。
绘制:M. KORNMESSER, ESA/HUBBLE
 
撰文:MICHAEL GRESHKO
 
  天文学家一直在孜孜不倦地研究着太阳系以外的世界,如今哈勃望远镜终于带来的一个振奋人心的好消息!数据显示,在一颗和地球差不多大小的行星的大气层中,存在水蒸气。虽然这颗系外行星所围绕的母恒星比我们的太阳要小,但它恰好位于这个恒星的宜居带。所谓宜居带,指的是恒星周围的一定距离范围,在这一范围内,温度足以让水以液态形式存在于行星表面。
 
  经过对系外行星K2-18b的多年观测,本周,两项独立研究宣布了这一发现。K2-18b是一颗超级地球,距离我们的太阳系111光年。2015年,NASA的开普勒太空飞船发现了它。与地球不同的是,它的质量是地球的8倍,这意味着它不是像海王星那样的冰态巨行星,就是大气中富含氢的岩石世界。
 
  K2-18b与母恒星的距离更近,地球到太阳的距离是其7倍。但因为它围绕着暗淡的M型红矮星,这个轨道距离恰恰处于可能的宜居带。初步模型预测,K2-18b的有效温度在-73度至47度之间,如果它的反射性与地球相仿的话,那么平衡温度和地球大致一样。
 
  研究人员在这种类型的行星上发现了水,这意味着在太阳系之外找到宜居的世界有望成为现实!
 
  伦敦大学学院的天文学家、此次研究之一的合著者Angelos Tsiaras在新闻发布会上说:“这是太阳系之外,我们已知的唯一一颗温度适宜、能留住水的行星。它有大气层,大气层里有水,是目前最适合居住的超级地球。”
 
光的秘密
 
  在过去二十年里,天文学领域发生了翻天覆地的变化。1992年,人类第一次发现系外行星,它们围绕着遥远的恒星默默地运行着。自那之后,科学家已经记录了上千颗系外行星:有一些显示有大气层存在的迹象。
 
  在其中一部分星球上,天文学家甚至发现了大气层水蒸气的迹象。但在此之前,已证实有水存在的那些行星都不适合人类生存。例如,2018年,NASA宣布在WASP-39b的大气层中发现了水蒸气。这是一颗和土星差不多大小的巨行星,然而向日面温度高达777度。
 
  研究人员曾寄希望于在更像地球的行星的大气层中发现水蒸气,尤其是位于恒星宜居带的那些,但这些行星相对较小,观测大气层非常困难。鉴于行星越大,探测工作越容易,研究人员把目光对准了超级地球:这些行星的质量最高可达地球的10倍,这意味着它们可能也有岩石表面。
 
  为了检验K2-18b,蒙特利尔大学的天文学家Björn Benneke借助哈勃太空望远镜观测凌日现象,也就是它在母恒星表面的运动情况,频率大约为每33天一次。
 
  每一次,恒星的光都会透过K2-18b的大气层。但不是所有光都能长驱直入,因为大气层中的化学物质会吸收特定频率的光。尤其是水,会吸收特定波长的近红外光,向我们透露水蒸气的存在。
 
  在2015年至2018年期间,Benneke的团队利用哈勃望远镜观测到了9次K2-18b凌日。他们收集并分析了相关数据,发现水蒸气的迹象。Benneke和同事们在arXiv上发布了研究的预稿。
 
可能下雨
 
  由伦敦大学学院的Tsiaras和Ingo Waldmann带领的研究团队利用了同样的哈勃数据,进行独立研究,结果发表于9月11日的《自然天文学》杂志上。和Benneke的团队一样,他们也发现K2-18b的大气层存在水蒸气。在论文中,Tsiaras和Waldmann表示,从统计学角度来看,侥幸得出这一结果的概率只有三千分之一。
 
  除了寻找适合生命生存的系外行星,这次发现也将有助于我们了解行星的天气状况。Benneke的团队指出,K2-18b的大气条件可以形成水滴,甚至下雨。天文学家之前曾在褐矮星上发现过水蒸气云。褐矮星十分庞大,质量介于恒星与行星之间。如果Benneke的研究结果成立,那么K2-18b将成为确定存在水蒸气云的首颗系外行星。
 
  两个团队都表示,根据这些研究,K2-18b将成为后续任务的重心,包括NASA即将推出的詹姆斯•韦伯太空望远镜和欧洲太空总署的阿里尔太空望远镜。与哈勃不同的是,这些望远镜将能“看”到其他大气气体,比如甲烷、氨和二氧化碳,甚至生命的化学标记。
 
(译者:Sky4)
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