大約二十年前的今天，兩支相互競爭的天文學家團隊獨立發現了第一顆已知的凌星系外行星——從地球上看，這顆行星會穿過其恆星表面，向這裡守望的天文望遠鏡投下陰影。二十年後，凌星現象已成為系外行星研究的命脈，透過 NASA 的 開普勒 和 凌星系外行星巡天衛星 (TESS) 任務等太空望遠鏡，發現了數千個世界，使研究人員不僅能夠測量行星的大小和軌道，還能測量其密度和整體成分。簡而言之，凌星世界已被證明是蓬勃發展的尋找地球宇宙雙胞胎的關鍵。然而，早在 1999 年，這些系外行星陰影可以被探測到的想法是如此奇妙，以至於驗證它需要兩個獨立團隊的共同努力。
現在，類似的場景再次上演：兩個科學團隊宣佈他們獨立發現了水——我們所知的生物學的基礎——在一顆名為 K2-18 b 的凌星行星的大氣層中。這顆行星在其恆星的宜居帶中執行，宜居帶是一個甜蜜點，星光可能足以溫暖一個世界，使水在其表面匯聚和流動。作為尋找外星生命的一個里程碑，這一結果預示著不久的將來，天文學家將使用地面和太空中的新型先進望遠鏡，更深入地研究我們太陽鄰近恆星周圍最有希望的行星。
倫敦大學學院的天文學家、其中一項研究的主要作者安傑洛斯·齊亞拉斯說：“這是目前我們所知的太陽系外唯一一顆溫度適宜支援水、擁有大氣層並且含有水的行星。”該研究今天在《自然·天文學》雜誌上發表。齊亞拉斯和他的同事使用複雜的計算機模型，從哈勃太空望遠鏡收集的資料中梳理出 K2-18 b 上水蒸氣的跡象，使這顆行星成為他所說的“目前已知的最適合居住的候選者”。
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哈勃資料並沒有顯著說明 K2-18 b 上水的量——在行星的上層大氣中，無論是少量的水分還是海洋的水量都會表達出類似的訊號。齊亞拉斯和他的同事認為，水蒸氣可能佔 K2-18 b 大氣層的百分之一到一半。要確定有多少水（以及其他氣體，如甲烷、二氧化碳和氨氣），將需要使用未來的太空設施進行更廣泛的觀測，例如 NASA 的 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡、歐洲航天局的 大氣遙感紅外系外行星大型巡天 (ARIEL) 望遠鏡和 新一代的超大型地面望遠鏡。
K2-18 b 的大小略大於地球的兩倍，質量幾乎是地球的九倍 ，可能有一個由岩石或冰組成的固體核心，周圍環繞著令人窒息的厚厚的氫氣層——以及其他氣體，顯然包括水蒸氣。這個世界是開普勒在 2015 年發現的，它在一個昏暗、寒冷的紅矮星周圍以 33 天的軌道執行，距離我們約 110 光年，位於獅子座。這顆恆星的光度不到我們太陽的 3%，但由於 K2-18 b 離它如此之近地軌道執行，這顆行星接收到的星光僅比我們自己的行星多 5%。並且由於這顆行星會凌星，因此部分星光會穿過其上層大氣層到達這裡的天文望遠鏡，從而拾取並傳輸有關 K2-18 b 大氣中氣體混合物的資訊。
在 2016 年至 2017 年間的八個不同時間，蒙特利爾大學的比約恩·貝內克領導的團隊使用哈勃太空望遠鏡以及開普勒和斯皮策太空望遠鏡測量了 K2-18 b 的凌星大氣閃爍。哈勃資料通常在收集後立即向公眾釋出，在這種情況下，該政策允許齊亞拉斯和他的同事進行他們的研究。就像齊亞拉斯的團隊一樣，貝內克團隊的獨立分析表明，K2-18 b 的上層大氣中存在統計上顯著比例的水蒸氣——而且，獨特的是，該團隊認為有液態水滴在更深處凝結的跡象。也就是說，貝內克和他的同事報告了雲和雨的證據。他們的研究已釋出在預印本伺服器 arXiv.org 上，並已提交給《天文學雜誌》進行同行評審出版。
貝內克說：“兩項研究都表明這顆行星上有大氣層和水，這使得結果更加有力。” “發現水蒸氣很棒，但 K2-18 b 的特別之處在於我們的模型表明其大氣層的部分割槽域具有足夠溫度和壓力，可以讓水蒸氣凝結成液態水滴。而這些水滴，就像地球大氣層中的水滴一樣，將形成雲並以降雨的形式落下。正如在地球上一樣，雲和大氣氣態部分之間應該存在相互作用的凝結和蒸發，活躍的水迴圈。”
貝內克推測，雲層可能形成的大氣區域可能相對舒適，壓力為一個地球大氣壓，溫度與典型起居室的溫度相差不遠。“在許多方面，這顆行星不像地球，但在其他方面，它又非常相似。在厚厚的 газовой 外殼下可能沒有有意義的‘表面’。即使有，它也會承受非常高的壓力。難以想象像人類這樣的生物在那裡四處走動——但也許某種極端微生物可以在這些水雲中生存。”
多雲，可能適合居住
一些研究人員稱 K2-18 b 及其同類為“超級地球”；另一些人則更喜歡稱它們為“迷你海王星”。但無論名稱如何，關於這些物體最明顯的事實是，它們中沒有一個圍繞我們的太陽執行，儘管它們是銀河系中最豐富的行星型別。我們目前真正瞭解它們的一切都來自太陽系外研究。到目前為止，這些研究表明，大多數這些行星，大小介於地球和海王星之間，與地球完全不同。
貝內克說：“我喜歡稱它們為‘混合’行星，這些世界有岩石核心和厚厚的氫氣外殼。” “這不是像地球那樣具有稀薄大氣層的裸露岩石，但也不是像海王星或木星那樣的巨行星。”
研究此類中間世界的吸引力之一——正在進行的 TESS 任務已經發現了更多此類世界——是它們可能會揭示關於各種尺寸行星如何形成的根本資訊。
哈佛大學史密森天體物理中心 (CfA) 的天文學家勞拉·克雷德伯格說：“我們認為，對於大小約為地球 1.8 倍的行星，會發生從岩石行星到氣態行星的轉變。”她沒有參與這項研究。“K2-18 b 接近這個邊界，因此[這些研究]正在讓我們初步瞭解接近這種轉變的世界的大氣層。”
康奈爾大學的天文學家尼科爾·劉易斯也沒有參與這兩篇論文，她指出，這並不是第一次在太陽系外的世界中看到水蒸氣、雲，甚至可能是雨的跡象。但早期的那些發現來自 K2-18 b 較大、更熱的同類行星，它們圍繞著其他恆星，這些世界更堅定地站在行星分界的“海王星”一側。“K2-18 b 代表著探測更冷、更小行星的道路上邁出的重要一步，”她說。“它有可能告訴我們，紅矮星周圍宜居帶或附近行星的大氣層是如何形成和演化的，這將對於理解較小的‘地球大小’行星的潛在宜居性非常重要。”
最重要的是，K2-18 b 上的水蒸氣將是迄今為止最好的證據，證明紅矮星宜居帶中的小型行星可以擁有大氣層。在某些方面，微小的紅矮星可以發揮出遠超其重量的作用，釋放出侵蝕大氣層的輻射量，這些輻射量在恆星生命的早期達到頂峰，而新生行星可能最脆弱。而早期對圍繞超暗紅矮星 TRAPPIST-1 執行的幾顆潛在宜居行星進行研究的少量哈勃研究令人沮喪：嘗試研究幾顆可能適合居住的行星的假定大氣層，這些行星凌星一顆名為 TRAPPIST-1 的超暗紅矮星，結果結果不確定。而最近對 LHS 3844 b 的探測表明，這顆凌星紅矮星比我們自己的行星大三分之一，這顆行星很可能根本沒有空氣。
麥吉爾大學的天文學家尼古拉斯·考恩說：“宇宙中絕大多數宜居空間可能都在紅矮星周圍，因為這些是最常見的恆星，而且它們恰好有很多非常靠近它們的岩石行星。”他與這兩篇新論文均無關。“在研究表明 LHS 3844 b 看起來像一塊乾燥、貧瘠的岩石之後，我們中的一些人開始擔心起來。也許紅矮星世界最終會成為天體生物學的虛假線索。”
考恩說，這種擔憂就是 K2-18 b “意義重大”的原因，儘管它明顯不類地，並且有點不適宜居住。“這表明宇宙中最常見的行星房地產也可能適合居住——不僅有大氣層，而且還有水蒸氣。”
即便如此，並非所有人都相信水蒸氣的主張不僅僅是熱空氣。“聲稱探測到的統計意義並不強烈，”CfA 的天文學家大衛·查博諾說，他與人在 1999 年共同發現了第一顆凌星行星。與基於兩個不同資料集的發現不同，兩個團隊分享的新發現僅依賴於一個數據集——來自哈勃望遠鏡，而哈勃望遠鏡的設計目的並非執行如此精細、具有挑戰性的測量。“是的，這具有暗示性，”查博諾說。“但天文學家研究凌星行星已經 20 年了，所以我認為我們已經過了‘暗示性’研究的時代。”