K2

拓牛李强

这幅插图展示了基于科学数据的系外行星K2-18 b可能的样子。美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜检查了这颗系外行星，发现了含碳分子的存在。甲烷和二氧化碳的丰富以及氨的短缺支持了这样一种假设，即在K2-18 b富含氢的大气层下可能有一个水海洋。致谢:美国国家航空航天局、欧空局、加空局、Joseph Olmsted（STScI）科学:Nikku Madhusudhan（IoA）

（）据《今日宇宙》（埃文·高夫）：在寻找可能支持生命的系外行星的过程中，液态水是关键指标。地球上的生命需要液态水，科学家强烈认为其他地方也是如此。但是从很远的地方看，很难分辨哪些世界有海洋。其中一些可能有熔岩海洋，混淆这两者是更清楚地了解系外行星、水和宜居性的障碍。

这将我们带到K2-18b，一颗围绕一颗红矮星（M矮星）运行的迷你海王星，距离我们约134光年。开普勒太空望远镜在2015年发现了它。美国国家航空航天局的系外行星目录将其描述为一个潜在的岩石世界，其质量几乎是地球的九倍。它需要大约30天完成一次轨道运行，距离其恒星约0.1429 AU。

当它被确认为行星时，发表在《天体物理学杂志》上的论文作者写道:“围绕K2-18运行的行星可能是过境系外行星大气研究的一个有趣目标。”

预言性的话，当JWST在2023年检查K2-18b的大气层时，它发现了含碳分子甲烷和二氧化碳。“韦伯的发现补充了最近的研究，表明K2-18b可能是一颗海洋系外行星，一颗有潜力拥有富含氢的大气层和海洋覆盖的表面的行星，”美国国家航空航天局的一份新闻稿说。

行星科学家对海洋系外行星非常感兴趣。就目前的情况来看，它们纯粹是假设。但是，如果科学家能够证实这些海洋行星之一的存在，我们银河系中其他地方的生命前景将发生巨大变化。（如果它们没有受到失控的温室效应的影响。）如果我们能够可靠地发现散布在恒星中的海洋世界种群，那无疑将构成一个强有力的信号，表明生命不局限于地球。

但是海洋世界有很多不确定性。它们存在吗？他们能守住海洋吗？还是海洋太热了？还有什么可以解释JWST的大气发现吗？为什么观测和气候模拟之间存在差异？一篇新论文的作者指出，从观测角度来看，K2-18b是典型的海洋世界。因此，这是一个尝试回答我们一些科学问题的好地方。作者表示，K2-18b确实可能是一颗海洋行星，但它是熔岩的海洋而不是水的海洋。

这篇新论文名为“区分迷你海王星K2-18b上的海洋和岩浆”主要作者是奥利弗·肖特尔，他在剑桥大学天文研究所研究行星化学。该论文处于预印阶段，尚未经过同行评审，但可以在arXiv上获得。

作者写道:“我们通过研究岩浆海洋对迷你海王星大气化学的影响，提出了一种解决观测和气候建模之间差异的方法。”

K2-18b是一个谜。它的密度介于海王星和地球之间，这意味着它的成分不确定。它的密度涵盖了一系列可能的成分。JWST的观测表明它有一个富含碳的大气层和一个缺乏氨的大气层。这些观察都表明海洋世界有浓厚的氢/氦大气。

但还有另一种可能的解释:岩浆海洋。作者写道:“我们证明，大气NH3损耗是氮物种在还原条件下在岩浆中高溶解度的自然结果，而还原条件正是厚氢壳与熔融行星表面连通的主要条件。”

正如在大气层中经常发生的情况一样，氧气的可用性起着巨大的作用。氧气是摇摆器；它喜欢和几乎任何东西结合。它的存在决定了大气中发生的许多事情。

“岩浆的氧化性对氮的溶解度有着深远的影响，”作者说。氮是氨形成所必需的，因为氨是NH3。因此，当JWST号在K2-18b的大气中没有发现氨时，这可能并不意味着海洋世界的存在。相反，它可能意味着一个岩浆海洋。

研究人员使用模型和模拟来试图确定JWST观测对K2-18b意味着什么。



该研究中的这张图显示了氧逸度与岩浆海洋行星大气中可以保留多少氮之间的关系。作者解释说:“随着氧逸度的降低，氮的溶解度增加会以数量级耗尽大气。”（每个彩色圆圈代表一组给定参数的模型运行。).信用:arXiv（2024年）。DOI: 10.48550/arxiv.2401.05864

研究人员发现，他们对岩浆海洋世界的一些模拟结果与JWST的发现一致。他们写道:“在岩浆海洋场景中产生的一组大气与JWST观测到的K2-18b的完整透射光谱一致。”他们补充说，“这种自洽的岩浆海洋模型可以产生与K2-18b观测到的透射光谱在质量上相似的透射光谱，以及通常为海洋行星假设的透射光谱。”

如果肖特和他的同事是正确的，那么氨的缺乏不能再用来表明海洋世界中海洋的存在。氨在大气中的分布可以归因于岩浆海洋和水世界两种情况。他们并不排外。

有什么解决办法？

研究人员写道:“因此，应该寻找水海洋与岩浆海洋存在的替代性互斥化学示踪剂，以便未来的观测可以区分这些潜在的场景。”

作者认为他们可能发现了一种化学示踪剂可以完成这项工作。他们表示，在系外行星大气中同时发现二氧化碳和一氧化碳可能预示着岩浆海洋。他们解释说:“二氧化碳和一氧化碳的共存是一种可能的示踪剂，也是观测到的K2-18b光谱与岩浆海洋情景可能不匹配的来源。”问题是K2-18b的大气中是否存在一氧化碳是不确定的。

研究人员已经表明，我们不能依靠检测到碳和未检测到氨来表明海洋世界，因为在某些情况下，岩浆海洋可以产生相同的大气化学特征。能做些什么？

当然是更好的数据和更多的研究。

他们总结说:“开发明确的区分液态水和岩浆海洋存在的大气示踪剂是我们在系外行星人口中寻找潜在宜居世界的关键。”