星辰深處，是否也有大海

【圖解】地球旁邊，是一個有著平坦的大氣的更大的行星——亞海王星的示例模型。亞海王星是比海王星小但比地球大的行星。它們通常是地球直徑的1。7-3。5倍。美國宇航局一項新的研究表明，天文學家可以通過分析大氣的化學成分來探測一些這類星球上的海洋。（來源：NASA/ JPL-Caltech，圖源：EarthSky）

譯者注：來源為文章標明圖片作者，或作品發(fā)布方；圖源表示獲取的網(wǎng)站、平臺；不確定填哪一個

我們所居住的地球是太陽系中唯一表面存在液態(tài)水的星球，在太陽系中，地球上的海洋是獨一無二的。但是科學家們認為，在銀河系的其他地方，可能還存在著其他的海洋世界。2021年10月下旬，美國宇航局發(fā)布了一項新的研究，科學家可以通過使用化學方法在遙遠的系外行星上找到隱藏的海洋。該研究表明，表面覆蓋著海洋的星球與不存在海洋的星球相比，其大氣的化學成分存在著顯著的差異。

新的同行評議論文在10月28日發(fā)表于《The Astrophysical Journal Letters》（ApJL，2020年影響因子7。413），它同樣可以作為一個預印本，在arXiv網(wǎng)站上獲得。

譯者注：主要是因為主流學術期刊發(fā)表周期太長。為了加快學術流通而創(chuàng)建的一個平臺，方便學者們的溝通交流，arXiv主要是作為一個論文未發(fā)表之前的一個交流平臺而存在的，并不屬于一個正式的發(fā)表渠道。

潛藏的外域海洋

這項新的研究表明，天文學家可以通過分析系外行星的大氣化學成分來探測海洋。一般來著，這個方法可能適用于類地行星、超級地球或是亞海王星（半徑小于海王星但大于地球的行星）。本文重點關注直徑為地球直徑1。7-3。5倍的行星。帶有光譜儀的望遠鏡可以識別出一些行星大氣的化學成分，其中包括即將推出的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）。它們可以分辨行星大氣中的氧氣、二氧化碳或是甲烷等氣體成分，這些氣體的存在代表著那里可能存在著生命。

這很讓人激動，但這樣的化學分析也可以揭示這些行星的其他信息，它可能會引導天文學家找到海洋，也對其生物宜居性存在影響。

【圖解】當我們描述不同類型的系外行星，我們常常會用“熱類木星”、“暖海王星”、“超級地球”等詞是什么意思呢？在研究系外行星時，參考我們自己的太陽系中熟悉的行星會對研究有所幫助，因此會使用這樣的定義方式。（來源：NASA，圖源：Youtube）

過熱還是過冷？

至少在某些情況下，太空望遠鏡可以協(xié)助確定這些系外行星表面是否存在液態(tài)水。更具體地說，通過分析大氣中的化學物質，科學家可以估測系外行星的表面溫度，進而分析這對于液態(tài)水而言是否溫度過高

那么哪些化學物質可能預示著云層之下可能存在著海洋呢？一項發(fā)現(xiàn)是大氣中的二氧化碳和氮氣，其中氮氣分子由兩個氮原子構成。它們的存在將證明這顆行星的大氣層更冷且更薄，即更像地球等類地行星上的大氣層。這將表明這顆系外行星上尚未發(fā)生熱化學平衡（化學平衡）。

在熱化學平衡中，大氣的化學性質發(fā)生了變化。這種情況在亞海王星較為常見，這時那些行星的大氣層主要由氫氣構成，此時碳和氮以甲烷和氨氣的形式存在，大氣層明顯更厚。

在這種情況下，和我們太陽系種氣體巨星和冰巨星上的大氣層一樣，濃厚的大氣會捕獲熱量。當溫度達到1430華氏度（770攝氏度）時，會發(fā)生熱化學平衡。這太熱了，液態(tài)水海洋無法在這種星球存在。

【圖解】這項關于系外行星海洋的研究由美國宇航局噴氣推進實驗室胡倫宇（Renyu Hu）領導。（來源：JPL-Caltech，圖源：researchgate）

氨氣含量差異

可能存在海洋的另一個關鍵指標時大氣中缺少某一種物質：氨氣。由于氨氣極易溶于水，因此在有海洋的星球的大氣中，氨氣幾乎不存在。同時，海洋的pH（酸堿性）水平也會影響氨氣的含量（如果存在的話）。

此外，海洋星球大氣中的二氧化碳含量應比一氧化碳多。如果一顆星球的大氣中既缺少氨氣又有過量的二氧化碳，這將是這個星球存在海洋的有力證據(jù)。正如領導這項研究的美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）的胡倫宇（Renyu Hu）所說：

“如果我們觀察到熱化學平衡的特征，我們會得到結論，這顆行星太熱而不可居住。反之，如果在一顆系外行星上沒有觀察到熱化學平衡的特征，也沒有觀測到有氣體溶解于液體海洋中的大氣特征，那么我們將認為它有極高的可能性是宜居的。

“我們還沒有直接的觀測證據(jù)來表明亞海王星的共同物理特征是什么。其中的許多可能有大量的氫氣大氣層，但仍有不少可能是“海洋行星”。我希望在不久的將來，這篇文章能激發(fā)更多的觀測，進而得到問題的答案?！?/p>

【圖解】亞海王星類型行星的藝術概念，全球覆蓋著海洋。（來源：Amanda Smith/ University of Cambridge，圖源：EarthSky）

未來展望

NASA的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）將于12月18日發(fā)射，它將配備一個能夠分析一些星球大氣的光譜儀。如文章所述：

“這些氣體在行星的透射光譜中產(chǎn)生了獨特的特征，使用詹姆斯韋伯太空望遠鏡進行適度數(shù)量的重復凌日觀測應該可以區(qū)分星球上的小型大氣層與K2-18 b等行星上的巨大大氣層。因此，這種方法提供了一種使用最新設備測定亞海王星型系外行星的大氣質量和宜居性的方法?！?/p>

換句話說，使用化學方法，JWST能夠識別大氣中可能證明系外行星存在海洋的跡象?？纯碕WST在未來幾個月或是幾年中會發(fā)現(xiàn)什么，這將會是十分振奮人心的。

一句話總結：美國宇航局的科學家研究發(fā)現(xiàn)，使用化學方法，能在遙遠的系外行星上找到隱藏的海洋。存在海洋的星球與沒有海洋的星球的大氣成分截然不同，其中包括氨氣的匱乏。

（注：使用光譜成像儀探測氣體成分的方法探測氣體成分，并以氣體成分含量與存在海洋的相關關系得到存在海洋的可能性，除了熱化學平衡相關內容，其他內容和化學學科的相關性感覺真的不高啊……）

BY: Paul Scott Anderson

FY: Aphelion

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自：https:///space/hidden-alien-oceans-sub-neptunes-exoplanets-chemistry/

http://dx./10.3847/2041-8213/ac1f92

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