天文知识｜氢海行星——宜居行星新角色

摘自《天文爱好者》杂志

柯文采/文  丁子瑜/译

天文学家近期发现了一种与地球完全不同的系外行星，但其上仍可能存在生命。这项发现也许能够加速人类对太阳系外生命的搜寻。

艺术家绘制的一颗可能宜居的太阳系外氢海行星表面想象图。这样一颗行星将完全为极深的海洋所覆盖，而没有陆地。海洋表面温度接近沸点，但在海洋深处温度将低得多，与地球上的深海差不多。这幅艺术想象图中的恒星为红色，这意味着它的表面温度相对较低，但氢海行星到恒星的距离很近。与类地行星不同，氢海行星在环绕一颗红矮星运行时很容易具备宜居条件。图片来源：Amanda Smith&Nikku Madhusudhan

01 “解锁”新角色

在最近几十年里，天文学家主要在寻找与我们的地球类似的行星：相似的尺寸、质量、温度和大气化学组成。由于类地行星相对较小，发现它们是一件格外困难的事情，即使使用最先进的望远镜也是如此。

图1  类地行星示意图。图片来源：ESA

一个来自剑桥大学的天文学家团队相信，宇宙中存在更多潜在可能的宜居行星。研究者发现了一类新的宜居行星，称其为“氢海行星"。它们是一种拥有由氢构成的厚大气层的炽热海洋行星。因为这些特性，研究者创造了“氢海（Hycean）”这一由“氢气（Hydrogen）”和“海洋（Ocean）”组合而成的名词。他们最近将研究成果发表在了《天体物理学杂志》这本天文学与天体物理学领域的顶级期刊上。

这些氢海行星比类地行星数量更加庞大。此外，由于它们比类地行星更大，探测和研究它们也会更加容易。根据研究者得出的预测结果，在未来的几年内发现系外生命标志是绝对有可能的。生命标志是指一颗行星上任何可表明过去或现在有生命存在的元素、分子、物质或特征等证据。“氢海行星为我们寻找外星生命开辟了一条新思路”，该项研究的主作者，来自剑桥大学天文学系的尼库·马杜苏丹（Nikku Madhusudhan）博士说。

02“氢海行星”什么样？

研究者发现，被辨认出的许多氢海行星候选体比地球要大且热。在这些行星海洋的表面，温度往往高于100摄氏度。不过，它们拥有非常厚的大气层，而在高大气压下，水的沸点要比在地球上高出许多。在这些行星海面之下很深的地方，水温与地球的海洋水温相当。因此，氢海行星的海洋深处与地球海底最严酷的环境相当，仍然可能支持微生物的生存。

图2  艺术家绘制的氢海行星K2-18b及其母恒星K2-18想象图。在马杜苏丹博士证认出的所有氢海行星中，K2-18b是最容易研究的一颗，也许将来我们会在这颗行星上找到生命标志。图片来源：ESA/Hubble,M.Kornmesser

与类地行星的宜居带相比，这些氢海行星有着更宽的宜居带范围。这就是说，即使它们在对于类地行星而言的宜居带之外，它们仍可能如我们所知的那样支持生命存活。自从近30年前首颗系外行星被发现以来，科学家在我们的太阳系外发现了数以千计的行星。其中占大多数的是“超级地球”（主要由岩石组成）或“迷你海王星”（直径在地球和海王星之间，通常拥有富氢大气层的行星）。大部分“迷你海王星”的直径在1.6倍地球直径以上，它们比海王星小，但要像地球一样形成岩状表面，它们又太大了。先前对此类行星的研究表明，它们富氢大气层下的温度和压力都过高，所以无法孕育生命。然而，最近一项由马杜苏丹博士的团队主导的对“迷你海王星”K2-18b的研究发现，这些行星在特定条件下也能够支持生命存活。这项发现促进了对于满足这些条件的各种行星与恒星特征的彻底研究，并且包括已知的系外行星是否可能满足这些条件以及它们的生命标志又能否被探测到的这些问题也统统涵盖。

图3  对于一颗行星是否“宜居”，科学家们也在不断给出更加详细的判断方案。图片来源：Dottedhippo/Getty Images

氢海行星在其富氢大气下有着覆盖整颗星球的宽广海洋。它们的直径可达地球的2.6倍，大气温度接近200摄氏度；但其海洋的环境却可能与地球海洋中可供微生物繁衍的环境相近。可能宜居的最热氢海行星包括那些被潮汐锁定的氢海行星，不过只有在它们永恒的夜半球上才具备宜居的条件。另一方面，最冷的氢海行星只能从母恒星那里得到很少的辐射，而其宜居环境则主要由行星核心产生的热量来维持。尽管大多数已知的系外行星都是氢海行星，它们却还没有像“超级地球”那样得到彻底的研究：这是因为“超级地球”与地球更为相像，因而人们一直认为，它们才是最可能宜居的行星类型。

研究显示，氢海行星在恒星周围广泛存在，包括在银河系中最常见的恒星（即红矮星）周围也是，那么或许寻找太阳系外生命的最佳地点就在我们眼皮底下。不过，这还不是定论；对氢海行星的研究才刚刚开始。仅凭直径并不足以确定一颗行星是否是氢海行星；还必须考虑到其他因素，如质量、温度和大气的性质。为了确定一颗遥远的行星上条件如何，天文学家必须首先确定该行星是否位于其母恒星的宜居带内，然后再去寻找（其光谱中的）化学标志，以推测行星大气的化学组成和内部结构。

图4  一颗类地行星的表面要存在液态水，它就必须要在母恒星的宜居带里。一颗行星距母恒星太近（比如金星）就会太热；而离得太远（比如火星），则会太冷。本图中的阴影区域显示了针对类地行星的宜居带。横轴代表行星到恒星的距离（天文单位），纵轴表示恒星的质量，因为恒星表面的温度极大地取决于其质量。图中其他颜色的区域显示的是氢海行星的宜居带。红色显示的是热氢海行星，而深蓝色则表示仍能宜居的氢海行星中最冷的那些。黑点表示氢海行星候选体，较大的点对应于最可能的那些。比起类地行星，人们更经常发现氢海行星位于其宜居带中。这可能意味着，宇宙中大多数的生命其实生活在氢海行星而不是类地行星上。图片来源：Madhusudhan,Piette&Constantinou,AstrophysicalJournal,2021

这些条件决定了行星表面的情况、是否存在海洋以及是否可能有生命。天文学家还关注那些“生命标志”：它们可能表明生命的存在。最常见的生命标志是氧气、臭氧、甲烷和氧化亚氮，这些在地球上也都被发现了。其他生命标志如一氯甲烷（CH3CI）和二甲基硫醚：(CH3)2S）在地球上含量非常少，但在氧气和臭氧匮乏的富氢大气中，它们会是有效的生命标志。马杜苏丹博士和同事们发现，在不远的将来，光谱测量将能够探测到氢海行星的大气中有可能存在着地球上的生命标志的一些蛛丝马迹。氢海行星大气中的（生命）标志远比类地行星上的容易探测，因为氢海行星直径更大，温度更高，还拥有富氢大气。所有这些因素都使得望远镜观测变得更容易。

即将发射的韦布空间望远镜（JWST）的理想观测目标中就包含了氢海行星，氢海行星的母恒星是谁？系外行星探索的明天又将是怎样的？