本文来自公众号：原理（ID：principia1687），编译：Zwicky，封面：ESA/Hubble, M. Kornmesser
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在太阳系之外，天文学家已经发现的行星数量已经超过了4000颗，它们都围绕着其他的恒星运转。遗憾的是，我们对这些行星却知之甚少——大多数情况下我们只知道它们的质量和半径。
但如果我们想要知道一颗行星是否能够孕育出生命，就需要更多的信息。特别是，天文学家想要知道这些行星上是否有大气层的存在，以及如果有，那它们的成分和构成是什么。这是目前我们缺失而又关键的信息，因为大气中如果有水、氧气和甲烷，就意味着这颗行星或许可以支持生命的发展。
一颗行星所具有的大气层（如果有），在塑造其内部环境或地表生态方面起着关键作用。它的成分、稳定性和结构都提供了重要的线索，让我们有机会了解它是什么样的。因此，通过大气研究，我们就可以了解这颗行星的历史，研究它的可宜居程度，并最终探索生命的迹象。
天文学家研究系外行星的主要方法是凌日光谱法。当一颗行星运行到它绕其运转的母星和地球的中间时，便是所谓的凌日。当凌日发生时，一小部分的星光会经过行星的大气层，并与大气层内所含有的化学元素相互作用。星光会被大气内的原子或分子吸收或偏转。
在凌日期间，天文学家通过观测星光，可以在恒星光谱中找到系外星系大气的痕迹。每一种元素都会在光谱上留下独特的吸收线，这些吸收线揭示了大气的成分。
目前，对系外行星大气的研究是有限的，因为这种测量需要非常高的精度，这是现有仪器所无法达到的。但最近，研究人员已经在类似木星或海王星的气态行星大气层中发现了水的分子特征，此前从未在较小的行星中发现过。
在一项发表在《自然天文》的新研究中，科学家第一次成功地在一颗可能适宜居住的系外行星中，探测到了大气层中的水蒸气。
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2015年，系外行星捕手——开普勒太空望远镜发现了K2-18b，这是它发现的数百颗“超级地球”中的一员。超级地球是指介于地球和海王星之间的行星。
K2-18b距离地球110光年之外，它围绕着一颗温度远低于太阳的昏暗红矮星运行。K2-18b的质量是地球的8倍，半径是地球的2.5倍，它的公转周期是33个地球日，所以那里的一年相当于地球上的一个月。
此外，这颗星球与其母星的距离使它恰好处于“宜居带”，这意味着它有适合的温度来维持液态水。
2016年和2017年，天文学家Björn Benneke领导的一个小组使用哈勃太空望远镜探测K2-18b，以寻找行星经过其母星前大气层的迹象。行星大气中的分子吸收了恒星特定波长的光，提醒天文学家注意它们的存在。
新论文的第一作者Angelos Tsiaras和他的同事从一个公共档案中获取了数据，并使用专门设计的软件进行分析。他们发现，这颗行星有大气层，并且发现了水蒸气分子的特征。此外，大气中还包含了氧和氦。
这是研究人员首次成功在一颗非气态行星周围，探测到了包含水蒸气的大气层。
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这是否意味着K2-18b是一颗宜居星球，且能够发展出生命？
要定义一颗系外行星为宜居行星，需要满足许多的要求。例如：
行星需要处于可以维持液态水的宜居带；
行星需要有一个大气层，能够保护它们不受来自母星的任何有害辐射；
行星需要存在液态水，因为水对生命至关重要；在宇宙中，水蒸气非常普遍，但要制造出液态水却不容易，因为这需要有适当的压强和温度；
其他的标准，比如大气中是否存在氧气等。
Tsiaras表示，到目前为止，我们观测到有大气层并包含水的行星都是气态巨行星，它们与木星、土星和海王星更为相似。K2-18b是目前我们所观测到的最宜居的候选行星，因为它是唯一一颗满足三个宜居条件的系外行星：适宜的温度、大气和水的存在。
但是，根据目前所收集到的数据，我们还不能够确切地说出这颗行星有多大的概率能支持生命的存在。因为关于K2-18b还有许多未知。它可能是由岩石构成，有很大的大气层，但也有可能它是一个大部分或者全部被水覆盖的“水世界”。
Benneke和他的同事更进一步用斯皮策太空望远镜观测了K2-18b。结合哈勃、斯皮策和开普勒的数据，他们发现在行星大气的某个层上形成了云，吸收的星光比其他层更多。当他们模拟该星球的气候时，发现云层凝结的区域有适合的压强和温度以形成液态水，这意味着这颗星球上很可能有液态雨滴。
Benneke认为，这些雨滴可能永远不会落到地面上。相反，当它们抵达大气层中的某一个点时，由于那里的压强和温度非常高，水滴便会蒸发掉。然后水又会上升到大气中，凝结成云，然后又会降下来。但并不是所有的系外行星专家都同意Benneke的结论。
未来，通过如JWST和ARIEL等下一代望远镜，我们将能发现更多关于K2-18b的化学成分、云层覆盖和大气结构的信息。这将有助于我们了解它到底有多适合居住。
在可预见的未来，我们无法发射任何探测器前往110光年之外的K2-18b。但我们却可以发现跟它类似，却离我们要近得多的行星。终有一天，我们将有机会回答一个最古老的问题——我们在宇宙中是否是孤独的？
参考来源：
https://www.nature.com/articles/s41550-019-0878-9
https://arxiv.org/pdf/1909.04642.pdf
https://www.sciencenews.org/article/first-known-exoplanet-rain-clouds-water-droplets
https://theconversation.com/how-we-detected-water-on-a-potentially-habitable-exoplanet-for-the-first-time-123239
本文来自公众号：原理（ID：principia1687），编译：Zwicky，封面：ESA/Hubble, M. Kornmesser