地球之外：韦伯太空望远镜探测到系外行星k2 - 18b上的关键分子

这张艺术家的概念图展示了基于科学数据的系外行星k2 - 18b的样子。K2-18 b是一颗质量是地球8.6倍的系外行星，它围绕着位于宜居带的低温矮星K2-18运行，距离地球120光年。美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜对k2 - 18b进行了一项新的调查，发现其中存在含碳分子，包括甲烷和二氧化碳。甲烷和二氧化碳的丰富，以及氨的缺乏，支持了在k2 - 18b的富氢大气下可能存在水海洋的假设。

国际科学家在宜居带系外行星k2 - 18b的大气中发现了含碳分子最后一组宇航员他们使用了美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据。这些结果是这与系外行星可能发生的情况一致在富含氢的大气层下有海洋覆盖的表面。这一发现为我们提供了一颗与太阳系中任何行星都不同的行星的迷人一瞥，并提出了有趣的前景关于其他可能适合居住的世界在宇宙中。

韦伯的近红外成像仪和无缝光谱仪(NIRISS)和近红外光谱仪(NIRSpec)获得的k2 - 18b的光谱显示，系外行星大气中存在丰富的甲烷和二氧化碳，同时可能检测到一种称为二甲基硫化物(DMS)的分子。探测到的甲烷和二氧化碳，以及氨的缺乏，支持了在k2 - 18b富含氢的大气层下可能存在海洋的假设。k2 - 18b的质量是地球的8.6倍，在宜居带围绕低温矮星K2-18运行，距离地球120光年。来源:NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)， Joseph Olmsted (STScI)， Nikku Madhusudhan (IoA)

美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜对k2 - 18b进行了一项新的调查，这颗系外行星的质量是地球的8.6倍，发现它存在含碳分子，包括甲烷和二氧化碳。韦伯的发现为最近的研究提供了证据，表明k2 - 18b可能是一颗Hycean系外行星，它有可能拥有富氢大气和水海洋覆盖的表面。

对这颗宜居带系外行星大气特性的首次洞察来自美国宇航局哈勃太空望远镜的观测，这促使了进一步的研究，从那时起改变了我们对该系统的理解。

k2 - 18b在宜居带围绕低温矮星K2-18运行，位于距地球120光年的狮子座。像k2 - 18b这样的系外行星，其大小介于地球和海王星之间，与我们太阳系中的任何行星都不同。由于附近没有类似的行星，人们对这些“亚海王星”知之甚少，它们的大气性质一直是天文学家们争论不休的问题。

对系外行星生命的启示

海王星下的k2 - 18b可能是一颗海神系外行星的建议很有趣，因为一些天文学家认为，这些世界是寻找系外行星上生命证据的有希望的环境。

“我们的发现强调了在其他地方寻找生命时考虑多样化宜居环境的重要性，”剑桥大学的天文学家、宣布这些结果的论文的主要作者Nikku Madhusudhan解释说。“传统上，在系外行星上寻找生命主要集中在较小的岩石行星上，但较大的hyocean世界明显更有利于大气观测。”

甲烷和二氧化碳的丰富，以及氨的缺乏，支持了k2 - 18b富氢大气下可能存在水海洋的假设。这些最初的韦伯观测还提供了一种称为二甲基硫化物(DMS)分子的可能检测。在地球上，这只能由生命产生。地球大气中的大部分DMS是由海洋环境中的浮游植物排放的。

DMS推理的鲁棒性较差，需要进一步验证。

“即将到来的韦伯观测应该能够确认DMS是否确实在k2 - 18b的大气中大量存在，”Madhusudhan解释说。

系外行星大气特征

虽然k2 - 18b位于宜居带，并且现在已知含有含碳分子，但这并不一定意味着这颗行星可以支持生命。这颗行星的体积很大，半径是地球半径的2.6倍，这意味着这颗行星的内部可能像海王星一样，有一个巨大的高压冰地幔，但有一个更薄的富氢大气层和海洋表面。据预测，海洋世界会有海洋。然而，也有可能海洋太热，不适合居住或不适合液态。

卡迪夫大学的研究小组成员Subhajit Sarkar解释说:“虽然这种行星在我们的太阳系中不存在，但亚海王星是迄今为止银河系中已知的最常见的行星类型。”“我们已经获得了迄今为止最详细的海王星宜居带光谱，这使我们能够计算出其大气中存在的分子。”

描绘像k2 - 18b这样的系外行星的大气特征——意味着确定它们的气体和物理条件——是天文学中一个非常活跃的领域。然而，这些行星的亮度被它们更大的母恒星的光芒所掩盖，这使得探索系外行星的大气层变得特别具有挑战性。

研究小组通过分析k2 - 18b的母恒星穿过系外行星大气层时发出的光，避开了这一挑战。k2 - 18b是一颗凌日系外行星，这意味着当它经过它的主星表面时，我们可以探测到亮度的下降。这就是2015年美国宇航局K2任务首次发现这颗系外行星的原因。这意味着在凌日过程中，一小部分星光将穿过系外行星的大气层，然后到达韦伯这样的望远镜。星光穿过系外行星大气层留下的痕迹，天文学家可以拼凑起来确定系外行星大气层的气体。

詹姆斯·韦伯的能力和未来研究

Madhusudhan说:“这个结果是可能的，因为韦伯的波长范围扩大了，灵敏度也前所未有，这使得只用两次过境就能检测到光谱特征。”“相比之下，韦伯的一次凌日观测提供了与哈勃在几年时间里在相对较窄的波长范围内进行的八次观测相当的精度。”

剑桥大学的研究小组成员Savvas Constantinou解释说:“这些结果只是对k2 - 18b的两次观测的结果，还有更多的观测正在进行中。”“这意味着我们在这里的工作只是韦伯在宜居带系外行星上观察到的早期展示。”

该团队的研究结果被《天体物理学杂志通讯》接受发表。

该团队现在打算用望远镜的中红外光谱仪进行后续研究，他们希望这将进一步验证他们的发现，并为k2 - 18b的环境条件提供新的见解。

Madhusudhan总结道:“我们的最终目标是在一颗可居住的系外行星上发现生命，这将改变我们对我们在宇宙中的位置的理解。”“在这一探索中，我们的发现是朝着更深入地了解海洋世界迈出的有希望的一步。”

美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的空间科学天文台。它正在解开我们太阳系的谜团，寻找其他恒星周围遥远的世界，探索宇宙的神秘结构和起源，以及我们在其中的位置。韦伯是由美国宇航局及其合作伙伴欧洲航天局和加拿大航天局领导的一个国际项目。