發(fā)文人 劉航

尋找地外生命，一直是人們宇宙探索的目標(biāo)之一。

天文學(xué)家們?cè)趯ふ业赝馍鼤r(shí)，通常會(huì)尋找與大小、質(zhì)量、溫度和大氣成分與地球相似的類地行星。

不過(guò)，劍橋大學(xué)研究人員最近確定了一種新型宜居行星_“Hycean”行星。正如其名字所暗示，她表面溫度較高（hot）、海洋覆蓋(ocean)、大氣中富含氫(hydrogen)。目前確定的“Hycean”行星候選者都圍繞著距離地球35到150光年的紅矮星運(yùn)行（地球與太陽(yáng)距離1.5億公里，以光速旅行也要8分20秒左右）。

研究人員表示，這可能意味著，在未來(lái)兩三年內(nèi)找到太陽(yáng)系外生命的“生物印記”具有可能性。

Hycean行星表面的構(gòu)想圖 圖片來(lái)自劍橋大學(xué)

該研究發(fā)表在知名天文學(xué)期刊《The Astrophysical Journal》上，論文標(biāo)題為《Habitability and Biosignatures of Hycean Worlds》（Hycean星球的宜居性和生物印記），通訊作者為劍橋大學(xué)天文研究所“reader”（準(zhǔn)教授）Nikku Madhusudhan。

為什么會(huì)研究與地球環(huán)境差異巨大的“Hycean”行星的宜居性？“首先，由于類地行星很小，在太陽(yáng)系外的類地行星上探測(cè)生命非常困難。而Hycean星球比地球更大、更熱，這增加了其可探測(cè)性和大氣觀測(cè)性，提供了探測(cè)系外行星生命更好的機(jī)會(huì)。其次，我們想探索在廣泛的行星上宜居和生命的可能性，而不僅限于類地行星。這將幫助我們了解太陽(yáng)系以外可能存在生命的環(huán)境的多樣性。”Madhusudhan對(duì)（thepaper,cn）發(fā)文人介紹道。

目前，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆太陽(yáng)系外的行星，其中絕大多數(shù)為半徑約地球半徑1-4倍的低質(zhì)量行星。根據(jù)她們的密度和體積，她們被歸類于“超級(jí)地球”或“迷你海王星”。

大多數(shù)迷你海王星的大小在地球的1.6倍以上，她們不像地球一樣擁有巖石內(nèi)部。早期對(duì)此類行星的研究發(fā)現(xiàn)，她們富含氫的大氣層下具有高溫高壓，無(wú)法維持生命。

然而，研究團(tuán)隊(duì)在調(diào)查迷你海王星 K2-18b時(shí)發(fā)現(xiàn)，在某些條件下，迷你海王星可以支持生命存在。

此項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)專注于研究富含氫氣的大氣層下存在大海洋（水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá) 90_），并具有宜居條件的行星，他們將其稱為“Hycean”星球。Hycean行星可以比地球大2.6 倍，擁有近200攝氏度的氣溫，但其海洋環(huán)境可能類似于地球海洋中微生物生存的條件。

Hycean行星的半徑和質(zhì)量

Madhusudhan表示，找到地外生命對(duì)人類最重要的意義是認(rèn)識(shí)到我們?cè)谟钪嬷胁⒉还聠巍４送猓@些發(fā)現(xiàn)還可能告訴我們生命形成與進(jìn)化所需的行星條件具有多樣性，并可能將地球生命的起源置于更普遍的背景下。

此項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)調(diào)查了Hycean行星的整體特性、宜居性和潛在的生物印記。

Hycean行星比類地行星數(shù)量更多，也更易觀測(cè)。研究人員確定的許多Hycean行星候選者都比地球更大、更熱，同時(shí)具有容納大海洋的特征，能夠支持類似地球最極端水體微生物生命的生存。

與類地行星相比，Hycean行星的宜居帶更廣闊。“宜居帶”（habitable zones）指宜居的行星與恒星的合適距離范圍。傳統(tǒng)上，恒星周圍的宜居帶由類地巖質(zhì)行星表面對(duì)液態(tài)水的需求定義。通常認(rèn)為，其大氣與太陽(yáng)系類地行星的大氣類似，主要成分為氮?dú)狻⒀鯕狻⒍趸己退Ｔ谶@種情況下，宜居帶的內(nèi)邊界受到失控溫室效應(yīng)或水從大氣逸出的限制；外邊界受二氧化碳冷凝導(dǎo)致缺少溫室效應(yīng)，從而達(dá)不到維持液態(tài)水所需溫度的限制。

比如，地球與太陽(yáng)的距離讓地球的溫度適中，允許液態(tài)水存在，可讓生命存活。而Hycean行星則能在與恒星更廣的距離范圍保持宜居。

Hycean星球中，有潮汐鎖定的“黑暗”Hycean星球，她們可能有一側(cè)永久都為黑夜，而只有黑夜這一側(cè)是宜居的；還有“寒冷”Hycean星球，她們接收的恒星輻射很少。

“寒冷”Hycean星球的溫度分布

這種大小的行星在已知的系外行星中為主體，Hycean可能很常見，這意味著在銀河系最有機(jī)會(huì)找到生命的地方可能一直就在顯眼之處。

判斷一顆行星是否為Hycean行星，不僅要確認(rèn)其半徑、質(zhì)量，還要確認(rèn)溫度和大氣特性等。

要了解數(shù)光年外的行星上的情況，天文學(xué)家首先要確定她是否位于其恒星的宜居帶，然后尋找分子特征來(lái)推斷行星的大氣和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這些會(huì)決定其地表?xiàng)l件、海洋的存在和出現(xiàn)生命的潛力。

天文學(xué)家也在尋找生物印記。傳統(tǒng)上，基于地球大氣層考慮的主要生物標(biāo)志物是氧氣、臭氧、甲烷和一氧化二氮。還有許多其他生物標(biāo)志物，如氯甲烷和二甲硫醚，她們?cè)诘厍虻暮枯^低，但在富氫大氣的行星上，她們可能是檢測(cè)生命的有用指標(biāo)。

“從本質(zhì)上講，當(dāng)我們一直在尋找這些分子特征時(shí)，我們的關(guān)注點(diǎn)是與地球相似的行星，這是一個(gè)合理的起點(diǎn)，”Madhusudhan說(shuō)，“但我們認(rèn)為Hycean行星提供了更好的機(jī)會(huì)找到少量的幾個(gè)生物印記。”

研究人員發(fā)現(xiàn)，不久的將來(lái)，通過(guò)光譜觀察可以很容易地檢測(cè)到許多預(yù)計(jì)存在于Hycean大氣中的陸地生物標(biāo)志物。Hycean行星更大的尺寸、更高的溫度和富含氫的大氣使得她們的大氣特征比類地行星更容易被探測(cè)到。

“為了確認(rèn)Hycean星球上生命的存在，我們需要用大型望遠(yuǎn)鏡對(duì)其大氣進(jìn)行光譜觀測(cè)。使用即將推出的望遠(yuǎn)鏡（例如詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡）將有可能對(duì)許多Hycean星球候選者進(jìn)行這樣的觀測(cè)。”Madhusudhan表示，確認(rèn)Hycean星球生命存在的主要困難在于獲得所需的觀察數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，并以可靠方式對(duì)其進(jìn)行解釋，以檢測(cè)生物印記。

他們已經(jīng)確定了大量潛在的Hycean星球樣本，這些樣本是使用下一代望遠(yuǎn)鏡，例如今年晚些時(shí)候發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST) 進(jìn)行詳細(xì)研究的主要候選者。對(duì)最有希望的候選者K2-18b使用韋伯望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一種或多種生物印記。

談及關(guān)于Hycean星球的下一步研究計(jì)劃時(shí)，Madhusudhan表示，“我們計(jì)劃對(duì)一些行星進(jìn)行大氣觀測(cè)，調(diào)查其大氣成分。同時(shí)，我們還會(huì)進(jìn)行理論研究，更詳細(xì)地了解這類行星的物理和化學(xué)過(guò)程。”

責(zé)任編輯_李躍群

校對(duì)_張艷