詹姆斯·韦伯太空望远镜发现系外行星K2–18 b表面可能被海洋覆盖

December2017

系外行星K2–18 b的插图，该行星位于其恒星的可居住区，目前已知其大气中存在碳基分子。(图片来源:美国航天局、欧空局、加空局、约瑟夫·奥姆斯特德(STScI))

（）据美国太空网（罗伯特·李）：詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)在一个疑似海洋世界的大气中发现了碳基分子的证据。

被称为K2-18b的太阳系外行星或系外行星是天文学家寻找太阳系以外生命的诱人目标，因为哈勃太空望远镜之前的研究和观察表明，这颗行星可能是一个充满液态水的海洋或“海洋”世界，液态水是生命的重要成分。k2–18b的半径比地球大两到三倍，距离太阳系120光年。

新的结果显示，在K2–18b的大气中有微量的二氧化碳和甲烷，但没有检测到氨，这可能表明在富含氢的大气下有一个水海洋。

“我们的发现强调了在寻找其他地方的生命时考虑不同宜居环境的重要性，”研究首席作者、剑桥大学科学家Nikku Madhusudhan在一份声明中说。“传统上，对系外行星生命的搜索主要集中在较小的岩石行星上，但较大的海洋世界明显更有利于大气观测。”

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K2-18b的质量约为地球的8.6倍，位于其冷恒星的可居住区——该区域既不太热也不太冷，无法容纳液态水——是一颗大小介于地球和太阳系冰巨人海王星之间的行星。这些世界被称为“亚海王星”，不同于太阳系中的任何行星，这使得它们对天文学家来说是一个谜，天文学家目前正在讨论它们大气层的性质。

这项研究应该有助于揭开亚海王星和海洋世界的大气和环境条件的面纱。

这是太阳系外存在生命的证明吗？

除了发现碳分子，JWST的发现还显示了在K2-18b的大气中可能存在更令人兴奋的东西。

太空望远镜似乎检测到了二甲基硫(DMS)，它在地球上只是作为生命的副产品产生的，主要由浮游植物产生。该团队对这种检测持谨慎态度，这种检测远不如碳分子的存在那么确定。Madhusudhan解释说:“即将到来的Webb观测应该能够确认DMS是否确实以显著水平存在于K2–18b的大气中。”

当涉及到推测外星生命时，这种谨慎的意识必须适用于K2–18b的一般发现。即使这颗行星有液态水海洋和含有碳分子的大气层，这也不一定意味着它有生命，或者这颗系外行星甚至可能支持生物。

这颗行星的宽度约为地球的2.6倍，其大小意味着其内部包含类似海王星的高压冰，但大气层和海洋表面更薄。这意味着这颗行星可能正在煮沸液态水，使其海洋太热，无法容纳生命。

詹姆斯·韦伯太空望远镜如何看穿海洋世界



该图以图表的形式显示了来自NIRISS和NIRSpec的系外行星K2-18 b的光谱，垂直y轴标记为被阻挡的光量，水平轴标记为光的波长(微米)。光谱被绘制为点，垂直的短垂直线穿过图，最佳拟合模型为蓝色锯齿状白线。有不同厚度的绿色、黄色和浅蓝色垂直柱散布在图中，表明线的变化分别代表甲烷、二氧化碳和二甲基硫化物的存在。图表后面是行星和恒星的插图。K2-18 b的光谱是通过韦伯的NIRISS(近红外成像仪和无缝摄谱仪)和NIRSpec(近红外摄谱仪)获得的，显示了系外行星大气中丰富的甲烷和二氧化碳，以及可能探测到一种叫做二甲基硫(DMS)的分子。甲烷和二氧化碳的检测以及氨的缺乏，与K2-18 b富含氢气的大气层下存在海洋一致。K2-18 b的质量是地球的8.6倍，在可居住区围绕冷矮星K2-18运行，距离地球120光年。(图片来源:美国航天局、加空局、欧空局、j·奥姆斯特德(STScI)、n·马德苏丹(剑桥大学))

评估像K2-18b这样遥远世界的大气成分并不是一件容易的事情，因为从它们的大气反射的光与它们的母星相比非常微弱。Madhusudhan和他的团队通过等待行星从JWST的角度穿过其恒星的表面，为K2–18b做了这项工作。这意味着其母星的光线直接穿过行星的大气层。

化学元素和化合物吸收并发射特定和特征波长的光，这意味着当它们在行星的大气层中时，它们会在星光上留下独特的“指纹”——恒星的“光谱”——当它穿过大气层时。

Madhusudhan解释说:“这一结果之所以成为可能，是因为JWST扩展的波长范围和前所未有的灵敏度，使得仅通过两次凌日就能够对光谱特征进行稳健的检测。”相比之下，JWST的一次凌日观测提供了与哈勃在几年内进行的八次观测相当的精度，并且波长范围相对较窄

该团队的发现反映了JWST在K2–18b两次穿越其母星表面期间收集的数据。对这颗系外行星的更多观测正在进行中，但这些发现背后的团队认为，他们迄今为止所看到的已经证明了JWST的力量，仅一次凌日就能提供哈勃在八次类似的凌日中所能获得的数据。

该团队现在将继续用JWST观测K2–18b，特别是其中红外仪器(MIRI)，因为他们旨在验证他们的发现，并收集更多关于系外行星环境条件的信息。

“我们的最终目标是在可居住的系外行星上识别生命，这将改变我们对我们在宇宙中的位置的理解，”Madhusudhan总结道。“在这一探索中，我们的发现朝着更深入了解海洋世界迈出了充满希望的一步。”

该小组的研究已被《天体物理学杂志快报》接受发表。