天文学家计算出哪些系外行星最有可能有水

这幅插图展示了炽热的岩石系外行星TRAPPIST-1 b可能的样子。一种新方法可以帮助确定哪些岩石系外行星可能有大量的地下水。鸣谢:uux.cn/美国国家航空航天局、欧空局、加空局、J. Olmsted (STScI)

（神秘的地球uux.cn）据今日宇宙（埃文·高夫）：天文学家知道大约有60颗岩石系外行星在其恒星的宜居带中运行。当他们试图确定这些行星是否适合居住时，探测它们大气中的水发挥了巨大的作用。但是，如果有另一种方法来测量这些世界的水含量呢？

研究人员正在开发一种方法来模拟这些世界，以确定它们有多少水。

据我们所知，宜居性可能需要地表水。但是探测地表水几乎是不可能的。下一个最好的方法是使用我们拥有的工具——比如詹姆斯·韦伯太空望远镜——来探测和描述系外行星的大气层。但是，尽管JWST的力量，它不能检查每一个系外行星的大气。有些是它力所不及的。但是，一个研究小组正在利用我们对系外行星、潮汐加热和辐射加热的了解，试图确定哪些系外行星可能有海洋，要么在表面上，要么在表面下。

科学家小组检查了可居住带中的岩石系外行星列表，并使用建模来确定它们有厚的表层或次表层海洋层的可能性。他们在预印服务器arXiv上发表了题为“宜居带中岩石系外行星的含水量”的论文主要作者是来自匈牙利布达佩斯Konkoly天文台和HUN-REN天文学和地球科学研究中心的Adam Boldog。

系外行星科学家面临的障碍之一是M矮星或红矮星的扩散。银河系中有一半的恒星可能是红矮星，这也是我们在可居住区发现最多岩石行星的地方。但是红矮星表现出明显的闪光，有时这种闪光比我们太阳产生的任何东西都要强大得多。

由于红矮星不像类太阳恒星那样明亮，它们的可居住区离恒星更近。这意味着可居住带中的系外行星可能被红矮星强大的耀斑剥夺了大气层。一旦大气消失，地表水肯定会随之而来。

在这种情况下，即使没有大气层，这颗行星仍然可以支持生命。红矮星可居住带中的岩石行星可能有大量液态水，只是不在表面。它们可能更像我们太阳系的海洋卫星欧罗巴、恩克拉多斯和其他卫星。他们有充足的水，在某些情况下比地球还多。但是它们没有地表水，只有极其稀薄的大气。JWST的大气光谱不能告诉我们太多关于这些类型的世界，以及它们是否有海洋。

“因此，探索其他不依赖于大气存在的研究系外行星可居住性的可能方法是很重要的，”作者解释道。

“在这项研究中，我们调查了岩石系外行星的内部，以确定那些可能有大量水的行星，”作者写道。“我们模拟了28个岩石系外行星的内部，假设了四个不同的层——一个铁芯，一个岩石地幔，一个高压冰层，以及一个表面冰/水层。”

除了行星的结构之外，它的热量收支对液态水含量也有很大影响。行星产生热量有两种方式。一个是来自地球地幔和地壳中铀、钍和钾同位素放射性衰变的辐射热。另一种是潮汐加热，这种加热来自于行星的轨道和旋转产生的摩擦。研究人员在他们的模型中包括了两者的可能数量。

“考虑到潮汐和辐射加热的影响，我们估计了这些行星上存在厚海洋层的可能性，”作者解释说。

研究中的一些行星是众所周知的。比邻星b是离地球最近的系外行星，这使它成为人们激烈猜测和研究的对象。TRAPPIST-1行星在几年前被发现时成为头条新闻。其他的，包括TOI 700d，是有趣的地球大小的系外行星。

在他们的建模中，研究人员将系外行星的结构建立在先前的工作基础上，这些工作表明，岩石系外行星可能有一个铁芯，一个岩石地幔，一个由高压冰多晶型物(HPP)组成的层，以及一个表面冰/水层。

根据每颗行星的质量和半径，研究人员确定了28颗行星的水质量分数。这是一个测量每个行星的质量中有多少是水的指标。该模型得出了每颗行星的水质量分数范围。

一些行星的输入质量和大小比其他行星更确定，由此产生的H2O质量分数集中在一个相对较窄的范围内，H2O质量分数在最大概率下显示出分布的峰值。

研究中的这张图显示了28颗岩质系外行星在不同H2O质量分数范围内的内部结构分布。请注意，顶部和底部面板的百分比增量不同:顶部为3%，底部为6%。比如开普勒62 f，452 b，442 b都可能是水世界。致谢:uux.cn/Boldog等人，2023年

“颜色和数字表明了在一定的H2O质量分数范围内所有模拟内部结构的分数，”作者解释说。“如果一个给定的行星的大量内部具有高H2O质量分数，那就表现为数值和更浅的颜色向更高的质量分数范围移动。”

研究人员发现，他们样本中的所有28颗行星都可能有全球性的冰或水面。有些甚至不需要大气层。

研究人员写道:“我们的结果表明，所有这些行星都可能具有足够大的H2O质量分数，足以形成全球冰/水面。”。“表面温度高于冰的熔点且水的质量分数较大的行星可能存在全球海洋，而不管大气是否存在。”

研究中的这张图展示了一些结果。每颗行星上圆点的颜色代表了它有内部海洋的可能性。致谢:uux.cn/Boldog等人，2023年

根据这项研究，表面温度低于熔点的行星可能仍然有水，但会被冰覆盖。“如果这些天体内部的热通量足够高，导致HPP层融化，这些星球可能隐藏着地下液态水库，”他们解释道。

这项研究有趣的结果包括TRAPPIST-1行星。由于我们比研究中的其他28颗行星拥有更准确的数据，研究人员说他们的结果更有可能是准确的。“所有模拟的TRAPPIST-1行星都可能有扩展的H2O层，”作者解释说，并补充说，这些层的性质需要确定，以评估可居住性。

28颗行星中的一些有如此多的水，它们可能是海洋行星。在这种情况下，水蒸气可以提供足够的大气压力来保护海洋表面。“我们的结果表明，开普勒-62 f、开普勒-452 b和开普勒-442 b可能是海洋世界的成员。”

这项研究有一些不足之处，作者很快就指出来了。首先，我们对其他太阳系中的辐射加热的理解是基于对我们太阳系的概括。在其他太阳系的岩石行星中，放射性元素的数量可能多得多，也可能少得多。

潮汐加热同样是不确定的。“值得注意的是，潮汐加热强烈依赖于行星轨道的偏心率，这在行星的演化过程中会发生变化，”作者解释道。偏心轨道上的行星经历潮汐加热。但是，靠近恒星的行星最终会朝着圆形轨道运动，这可能会消除热源。

如果这些结果中的一些是正确的，那么拥有地下海洋的世界可能比我们想象的要多。谁知道呢？也许地球才是怪人。

“地下海洋可能是生命发展的绝佳场所，尽管用我们目前的技术很难观察到这一点，”作者总结道。

像这样的研究无法取代直接观察，但历史表明它们在提炼科学家思维方面有多么重要。虽然我们不能很好地观察这些行星，以确定它们是否有海洋，但至少科学家可以利用他们所知道的，努力找到答案。