潜在宜居系外行星：如何用化学在遥远的世界中寻找隐藏的海洋

　　如何用化学在遥远的世界中寻找隐藏的海洋？一项新的研究表明：在某些情况下，系外行星大气中的化学物质可以揭示其表面的温度是否对液态水来说太热了。

　　在我们的太阳系中，行星要么小而多岩石（如地球），要么大而气态（如海王星）。但是在其他恒星周围，天文学家发现了介于两者之间的行星——比地球稍大但比海王星小的世界。这些行星可能有岩石表面或液态水海洋，但大多数行星的顶部可能是比地球厚许多倍且不透明的大气层。

　　在这项被《天体物理学杂志快报》接受的新研究中，研究人员展示了这些大气层的化学成分如何能够揭示下面是什么的线索——特别是哪些行星太热而无法支撑液态水海洋。由于液态水是我们所知的生命的必要成分，这项技术可以帮助科学家缩小对潜在宜居系外行星或太阳系以外行星的搜索范围。在我们的银河系中已经确认了超过 4,500 颗系外行星，还有超过 7,700 颗候选行星有待确认，但科学家们估计我们的银河系中存在数千亿颗系外行星。

　　一些配备光谱仪的NASA太空望远镜可以揭示系外行星大气的化学成分。地球的化学剖面图无法揭示地球表面的牛或人类的照片，但它会显示哺乳动物产生的二氧化碳和甲烷，以及树木产生的氧气。单独这些化学物质都不是生命的迹象，但它们结合起来表明我们的星球可能有人居住。

　　这篇新论文展示了哪些化学物质可能指向位于地球直径 1.7 到 3.5 倍之间的系外行星上隐藏的海洋。由于海王星的直径大约是地球直径的四倍，因此这些行星有时被称为“亚海王星”。

　　亚海王星行星上厚厚的大气层会将热量困在表面并升高温度。如果大气达到某个阈值——通常约为 1,430华氏度（770摄氏度）——它将经历一个称为热化学平衡的过程，该过程会改变其化学特征。在热化学平衡发生后——假设行星的大气主要由氢组成，这是气态系外行星的典型特征——碳和氮将主要以甲烷和氨的形式存在。

　　在没有发生热化学平衡的更冷、更稀薄的大气中，这些化学物质基本上会消失。在这种情况下，碳和氮的主要形式将是二氧化碳和两个氮原子的分子。

　　根据这项研究，大气层下方的液态水海洋会留下额外的迹象，包括几乎没有所有会溶解在海洋中的游离氨。氨气极易溶于水，这取决于海洋的 pH 值（其酸度）。研究人员发现，在各种合理的海洋 pH 值范围内，当下面有一个巨大的海洋时，大气应该几乎不含氨。

　　此外，大气中的二氧化碳会比一氧化碳多；相比之下，在热化学平衡之后，一氧化碳的含量应该多于二氧化碳，如果两者都可以检测到的话。

　　领导这项研究的美国宇航局喷气推进实验室的研究员胡仁宇说：“如果我们看到热化学平衡的特征，我们就会得出结论，这颗行星太热而不适合居住。” “反之亦然，如果我们没有看到热化学平衡的特征，也没有看到溶解在液态水海洋中的气体的特征，我们会将它们视为宜居性的强烈迹象。”

　　美国航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜，设置为启动12月18日，将开展学习能力系外行星大气的光谱仪。像胡这样的科学家正在努力预测韦伯将在这些大气中看到什么样的化学特征，以及他们可以揭示这些遥远世界的哪些方面。该天文台有能力识别海王星以下大气中热化学平衡的迹象——换句话说，是隐藏海洋的迹象——如论文中所述。

　　随着韦伯发现新行星或对已知行星进行更深入的研究，这些信息可以帮助科学家决定其中哪些值得进一步观察，特别是如果科学家想要瞄准可能存在生命的行星。

　　“我们没有直接的观测证据来告诉我们亚海王星的共同物理特征是什么，。”胡说。“其中许多可能有大量的氢大气层，但不少仍可能是‘海洋行星’。” 我希望这篇论文将在不久的将来激发更多的观察以找出答案。”