系外行星K2-18b的另一种解释？一颗富含气

　　艺术家描绘的迷你海王星K2-18 b .鸣谢:uux.cn/美国国家航空航天局，加空局，欧空局，j .奥姆斯特德（STScI），N. Madhusudhan。学分:剑桥大学

　　据《今日宇宙》（埃文·高夫）：系外行星K2-18b吸引了很多关注。詹姆斯·韦伯太空望远镜光谱显示它的大气中含有碳和甲烷。这些结果以及其他观察表明，这颗行星可能是一个长期假设的“海洋世界”。但是新的研究反驳了这一观点。

　　相反，这颗行星可能是一颗气态迷你海王星。

　　K2-18b位于大约134光年外的一颗红矮星的宜居带。大约是地球半径的2.6倍和地球质量的8.6倍。它的轨道周期只有33天，所以它离它的恒星很近。但是由于这颗恒星是一颗暗淡的红矮星，K2-18b从其恒星获得的能量与地球从太阳获得的能量大致相同。

　　科学家们仍然对这颗行星的密度和成分感到困惑。它的密度介于地球和海王星的密度之间。由于它不像地球那样主要是岩石，也不像海王星那样全是气体，这导致人们猜测它是一个海洋世界。科学家确定K2-18b由什么组成的唯一方法是发现它的大气层中有什么。

　　JWST就是这么做的，它的观测发现了许多化学物质，包括二氧化碳和甲烷。它还发现了氨的缺乏。

　　本月早些时候，科学家们根据JWST的发现介绍了arXiv预印本服务器的一些研究（Shorttle等人，2024年）。通过研究气候大气模型，这些研究人员得出结论，K2-18b极有可能是一个岩浆海洋世界。“岩浆海洋模型再现了目前K2-18b的JWST光谱，”他们写道，“……表明这是对目前观测结果的可信解释，就像这颗行星拥有液态水海洋一样。”

　　鸣谢:uux.cn/韦伯太空望远镜

　　但是另一组研究人员不同意这一观点。那些研究人员不认为这个星球是海洋世界或熔岩世界。他们也在arXiv上发表了一篇论文，题为“JWST对K2-18b的观测可以用一颗没有宜居表面的富含气体的迷你海王星来解释。”第一作者是尼古拉斯·沃根，他是美国国家航空航天局艾姆斯研究中心太空科学部的博士后研究员。沃根研究早期地球以及系外行星和天体生物学。

　　JWST在K2-18b的大气中发现了甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），也没有检测到氨。这些结果通常表明海洋世界具有浓厚的氢/氦大气。但Shorttle等人的分析显示并非如此，他们说结果也可能显示一个具有岩浆世界的行星。

　　沃根等人的新论文得出了不同的结论。“…我们倾向于迷你海王星的解释，因为它相对简单，并且不需要生物圈或其他未知的甲烷来源来解释数据，”他们写道。

　　在他们的工作中，研究人员使用光化学和气候模型模拟了不同版本的K2-18b，包括海洋世界和富含气体的迷你海王星，没有确定的表面。他们的工作表明富含气体的迷你海王星模型最符合数据。

　　行星大气层异常复杂，从这么远的距离弄清楚发生了什么是一项艰巨的任务。科学家不仅需要知道存在什么化学物质（谢谢，JWST），还需要了解所有发生的过程。大气中的温度和压力对我们能看到的和可能隐藏的东西起着巨大的作用。

　　K2-18b大气的一个方面是超临界性。超临界流体是指温度和压力高于临界点的流体。在这个临界点以上，气相和液相都不存在。但是压力不足以迫使物质变成固体。木星和土星的大气层深处有超临界流体，它们的行为与液体或气体非常不同。这又增加了一层复杂性。

　　研究中的这个数字有助于解释这些发现。与JWST的NIRSpec和单一对象无缝光谱观测相比，每个面板都是一个独立的模型。JWST的数据排除了无生命的海洋世界模型，因为它没有足够的甲烷。有人居住的海洋模型和迷你海王星模型更符合JWST的数据，但援引地球甲烷的生物来源对作者来说太远了。相反，他们认为迷你海王星模型是最合适的。致谢:uux.cn/沃根等人，2024年

　　研究人员拥有尽可能体现复杂性的气候模型，研究人员将JWST的发现与三个模拟的系外行星进行了比较:一个不适合居住的海洋世界、一个适合居住的海洋世界和一个没有表面的气态迷你海王星。

　　“鉴于H2逃逸和潜在的深度超临界性给海洋世界保持稳定的温带气候带来了额外的障碍，我们倾向于迷你海王星的解释，因为它相对简单，并且不需要生物圈或其他未知的甲烷来源来解释数据，”作者写道。

　　作者指出，对于海洋世界来说，要保持大气中1%的甲烷，需要有生物来源或其他未知来源。他们还写道，如果K2-18b是一个海洋世界，它将很难避免失控的温室效应并保持稳定的温度。作者放弃了海洋假说，因为它充满了挑战。根据他们的说法，气态迷你海王星的情景更符合数据和模型。

　　他们指出地球的深层大气可以解释JWST的发现。“深层大气热化学猝灭”可以解释JWST发现的甲烷和二氧化碳，深层大气动力学如上升流可以解释氨和一氧化碳的缺乏。

　　这不会是K2-18b上的最后一句话。数据将接受进一步分析。随着理解它的努力的继续，这些结果也将加强我们现有的大气和气候模型。在未来的某一天，科学家们将知道如何区分系外行星。

　　但现在，他们还在想办法。