太阳系之外可能存在一类新的超级水行星

天文学家通常将太阳系中的行星分为两类：岩石行星和气态巨行星。但根据一项针对银河系中其他恒星系统行星的最新研究，还存在第三种行星，其组成成分约为 50% 的水和 50% 的岩石。这样一个富含水的行星对于天文学家来说是一个诱人的地方，他们可以借此检验关于行星为何能够维持生命的假设。  

“在我们的有生之年，我们可能首次能够就其他行星的宜居性发表一些科学证据，”芝加哥大学博士后研究员拉斐尔·卢克 (Rafael Luque) 说道，他是周四在《科学》杂志上发表的新研究的第一作者。“这是重大的一步。”

近年来，天文学家一直在快速探测围绕恒星运行的新行星，即系外行星。迄今为止，已发现并确认了 5,000 多颗系外行星。但要从光年之外弄清楚这些行星的确切样子，以及它们是否适合居住，却是一项艰巨的任务。

大多数系外行星都是通过所谓的凌日法发现的，该方法通过观察行星经过恒星前方时恒星光线如何略微变暗来间接识别行星。天文学家还可以通过行星遮挡多少星光来推断系外行星的半径。科学家们利用这些信息将这些外星世界与我们太阳系中的行星进行比较，以此推测它们可能是什么样子。例如，半径与地球相同的行星被认为是相当多岩石的。

但在许多红矮星（迄今为止我们银河系中最常见的恒星）的轨道上，有一类行星在我们的太阳系中没有类似的行星。根据它们的半径，这些行星的大小介于地球和海王星之间。

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长期以来，天文学家一直认为这些小行星可以分为两类：一些被认为是“超级地球”，一些被认为是“迷你海王星”。NASA 戈达德太空飞行中心的行星科学家 Ravi Kopparapu 解释说，这一观点得到了观测结果的支持，观测到半径约为地球 1.6 倍的系外行星很少，这被称为“半径谷”，他没有参与这项新研究。他说，恒星辐射侵蚀行星大气层的方式被认为是解释半径差距的原因。

按照这种逻辑，位于半径谷较小一侧的“超级地球”只剩下非常稀薄的大气层和大量裸露的岩石表面。另一方面，“迷你海王星”则保留了厚而蓬松的大气层，因此这些气态行星的半径较大。

但可能还有其他方法可以构建具有这些半径的系外行星。由于它们在我们的太阳系中没有类似物，因此这些世界可能真的是外星的。因此，为了弄清楚这些遥远行星可能由什么物质构成，卢克和他的合作者恩里克·帕莱试图确定它们的密度。

密度不是可以直接从如此遥远的地方测量的东西，但有了行星的质量和半径，这是一个简单的计算（质量除以体积等于密度）。研究人员利用 2018 年发射的凌日系外行星勘测卫星 (TESS) 新发现的 34 颗行星的半径和质量测量值，收集了这些神秘小系外行星的密度样本。

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根据他们的计算，半径谷并不是区分围绕红矮星运行的不同类型行星的因素。而是密度。他们推断这些系外行星可能是三种类型的行星之一：岩石行星、气态行星，或者新类型的富水行星。

“我们可能认为地球是一颗富含水的行星，但地球上的水仅占其总重量的 0.02%”，卢克说。同时，这些遥远的水世界的密度表明，它们约一半的质量是水。

但卢克表示，不要开始想象一个拥有岩石核心、上面有深海水流动、暴露在太空中的世界。“我们在样本中看到的是，这些水不可能存在于地表，”他说。“这些水可能被困在地表以下，或者可能与岩浆混合，但它们不会以深海的形式存在——至少不会存在于地表。”

在我们太阳系中，与这种富含水的行星最相似的行星是木星和土星的卫星。例如，木星的卫星之一木卫二，其深海在全球水冰壳下晃动。

卢克表示，这些系外行星不太可能有水冰壳，因为它们距离恒星更近——表面上的任何水都会蒸发。至少在行星面向太阳的一侧是如此。这些行星不会像地球一样绕轴旋转以形成昼夜循环。相反，它们有永久的光明面和黑暗面。然而，卢克表示，也许存在一个光明面和黑暗面相遇的区域，在某种永恒的黄昏中，表面的温度可能恰好适合液态水稳定存在。

在寻找宜居星球的过程中，天文学家通常以液态水作为指导。这是因为它对于我们所知的生命至关重要（即地球上的生命，因为它是迄今为止我们所知道的唯一生命）。

科帕拉普说：“我们在这个宇宙中只有一个生命模板，所以我们用它作为模板在其他地方寻找生命。”但他补充说，稳定的液态水并不是让一个地方按照这个定义宜居的唯一条件，而且仅仅因为一个地方能够维持生命并不意味着那里有生命。

为了研究这些遥远星球的宜居性，天文学家将利用新发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 等工具，该望远镜可以观察系外行星大气的化学成分，以揭示有关其成分的更多细节。借助 JWST 等望远镜，天文学家将寻找水蒸气以确认 H2O 的存在，以及甲烷、氧气、二氧化碳、氮气等地球大气中存在的气体。

“我们发现越来越多的证据表明，存在许多可能适合居住的星球。我们的地球并不是独一无二的，”科帕拉普说。他打了个比方：“如果你搬到一个新社区，想向邻居介绍自己，你可能会看到很多房子，但看不到很多人。所以我们会找到很多房子。现在我们只需要找到人。”