9月11日，《自然·天文》雜志發表了倫敦大學學院（UCL）一組天文學家的最新研究成果，他們在一顆名叫K2-18b的行星上發現了水蒸氣存在的跡象。作為人類已知的第一顆有水且位于宜居帶的超級地球，這些吸人眼球的關鍵詞背后，到底意味著什么呢？ 


K2-18b藝術想象圖 圖片來源：UCL 

　　  

　　一、激動人心的發現： 

　　1、兩個偉大空間望遠鏡的結晶 

　　現代天文學的飛速發展離不開望遠鏡的功勞，410年前，伽利略第一次把望遠鏡指向星空，將人類的視野望向了宇宙更遠更深處，從那時起，天文學家得以窺探更多用肉眼無法企及的宇宙奧秘。 

　　這次的發現也是基于兩個偉大空間望遠鏡的數據獲得的，可以說是二者成果的結晶。其中一臺是目前發現系外行星數目最多的開普勒空間望遠鏡，在已確認的總共4000多顆系外行星中，開普勒自己就貢獻了一半以上（在文章《搜尋下一個地球：新兵亮劍》中，我對開普勒空間望遠鏡進行過介紹http://www.kepu.net.cn/gb/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_201804/201804/t20180420_30518.html）。系外行星K2-18b的名字就來源于開普勒望遠鏡后期的K2計劃。它在2015年最先發現了K2-18b這顆位于獅子座的系外行星，隨后被地面望遠鏡所證實。由于K2-18b位于潛在宜居帶內且“信號”較強，因而受到了眾多天文學家的格外關注。 


開普勒空間望遠鏡 圖片來源：NASA 

　　  

　　如果說開普勒的貢獻是在茫茫星海之中找到了K2-18b的存在，那么另一個家喻戶曉的哈勃太空望遠鏡，則是為探測其大氣中的水蒸氣提供了關鍵數據支持。哈勃配備的寬視場相機（WFC）可以在紅外波段拍攝天體光譜。在2016-2017兩年的時間里，哈勃對K2-18b和它的主星K2-18組成的系統進行了9次觀測，每次盯著它們看6.5小時。根據美國宇航局NASA運行哈勃的年度經費推算，單單為了觀測K2-18b，就花費了高達數十萬美元。不過這錢也砸出了響，正是基于哈勃長時間高質量的觀測，才確保了發現水蒸氣的可能。 


哈勃太空望遠鏡 圖片來源：NASA 

　　  

　　2、一套復雜精細的分析過程 

　　眾所周知行星本身不發光，太陽系內的八大行星由于距離較近，我們還可以看到。但是我們無法直接探測到124光年外的K2-12b，它實在是太遙遠太暗弱了，更不要說研究它大氣里的水蒸汽了。不過科學家還是通過一系列的“神操作”實現了水蒸氣的探測。 

　　首先，無法直接看到行星，但可以看它繞轉的恒星。通過觀察行星繞恒星轉動時對于恒星遮擋導致地亮度變化，可以發現行星的存在，這就是著名的凌星法，跟金星凌日是一個道理。 

　　  

凌星法示意動畫  圖片來源：NASA 

　　  

　　在行星凌星過程中，如果不是只看單一的亮度變化，而是分析不同波長范圍的亮度變化，跟把太陽白光拿三棱鏡色散成七色光類似，就有了凌星時的光譜。當恒星光穿過行星大氣時，行星大氣中不同的原子分子會吸收特定波長的光，從而在光譜中留下自己的“指紋”信息，被稱為透射光譜。通過分析行星凌星時的透射光譜，就可以捕捉到行星大氣中水蒸氣、氫氣、氮氣等的蛛絲馬跡。 


透射光譜示意圖  圖片來源：Christine Daniloff/MIT, Julien de Wit 

　　  

　　方法說起來不難，但受限于哈勃的探測能力，對于遙遠、暗弱、個頭又小、大氣中各種成分又不明的行星來說，要想成功探測到各種氣體信號，是困難重重。科學家還為此專門發明了一種被稱作空間掃描觀測的方法，來提高光譜的信噪比。后續數據處理則需要經過細致的改正定標等，才能最終提取出凌星發生時行星在不同波段處的信號。將這些信號與理論的行星大氣模型進行比對，最終確定行星大氣可能的成分和大概的比例。 

　　3、兩組獨立研究的相互印證 

　　利用專門開發的數據處理程序和細致的分析，英國倫敦大學學院Angelos Tsiaras帶領的團隊最終在K2-18b的透射光譜中發現了水蒸氣存在的痕跡。他們在2018年5月底將結果以論文形式投給了《自然·天文》雜志，但是直到一年多以后，論文才被正式接受，幾天前才以快報形式正式發表。對于一篇快報文章來說，這中間耽擱的時間可不短。其中很大的一部分原因，就是這一重要結果的確認，需要等待同行的審閱，并且要有其他工作的驗證。 

　　由加拿大和美國科學家組成的另一個獨立研究小組，對于哈勃拍攝的同樣數據，結合其他望遠鏡的更多數據，通過他們自己的分析處理，也確定了K2-18b大氣中水蒸氣的存在，這就證實了英國團隊的結果。只不過加美團隊的發現晚了一步，沒能夠被媒體大眾所熟悉。 

　　正是有了先進的望遠鏡設備為基礎，科學家巧妙的觀測方法和細致的處理分析為保障，加上兩個互相獨立團隊結果的相互印證，才使得人類第一次在宜居帶行星上找到了水的蛛絲馬跡。 

　　那這一發現是否意味著我們離證實外星生命更進一步了呢？恐怕還不能高興的太早。 

　　  

　　二、離“可以移民的第二個地球”還很遙遠： 

　　很多讀者看到新聞可能就會浮想聯翩，有水宜居，那就可能有生命啊！有生命，說不定就可以演化成高級智慧生命，會不會跟地球接觸？或者我們可不可以移民到那里去? 

　　很多時候，科學發現和我們美好的想象之間還差著十萬八千里。大家先冷靜下來，看完下面的三個不等號就知道了。 

　　1、宜居帶 ≠ 一定宜居 

　　位于宜居帶內的K2-18b一定宜居嗎？其實所謂的宜居帶，是一個較為寬泛的概念。根據恒星向外發光發熱的強度，可以圈定一個行星距離恒星的距離范圍，在這個范圍內的行星，其表面溫度適宜能夠支持液態水的存在，就稱為宜居帶。 


不同類型恒星的宜居帶（綠色部分表示） 圖片來源：NASA 

　　  

　　根據推測K2-18b表面溫度可能在0度到40度之間。雖然K2-18b恰巧落在了宜居帶內，但K2-18b圍繞的恒星與太陽迥異。K2-18是一顆溫度比太陽低很多的M型矮星，它雖然沒有太陽熱，個頭質量也小，但卻很可能比太陽暴躁得多：其色球層活動劇烈，不時會有巨大的耀斑爆發，向外拋射各種高能粒子。通俗點說，它就像“小哪吒”一樣，時不時爆發一下把周圍搞得亂七八糟。此外，K2-18b和它的距離更近，只有日地距離的七分之一。我們地球的情況比它好得多，還必須要靠磁場和大氣層保護，才能抵御很多太陽的輻射攻擊；K2-18b更近距離得面對這樣一個大魔王，顯然其宜居性要打一個大大的問號。 


K2-18b的主星有可能像小哪吒一樣暴躁 圖片來源:《哪吒》劇照 

　　  

　　2、超級地球 ≠ 地球 

　　質量在1-10倍地球質量之間的系外行星，由于比太陽系的冰巨星（天王星海王星）質量小一些，在太陽系內并沒有合適的行星與之對應，科學家就給它們起了個“超級地球”的名字。K2-18b質量是地球的8倍多，半徑是2.7倍，顯然個頭體重都比地球大不少。所以這個超級地球跟我們地球還是很不一樣，大家都知道超人和人還是有區別的。這也難怪Angelos Tsiaras 在接受媒體采訪時都一再強調：“K2-18b不是地球2.0，它比地球重很多，大氣組成成分差別也很大！” 


類似“超人”的超級地球  圖片來源：圖片來源： JerryOrdway 

　　  

　　3、有水 ≠ 有生命

　　上文提到，發現水經過了一系列復雜的分析過程。根據大氣模型與觀測數據擬合結果，與數據匹配較好的三種大氣模型中都有水的存在，統計學上的置信度也很高。但是受限于數據精度，具體到水的含量則從0.01%到50%不等。換句話說，K2-18b大氣中，最樂觀的情況下，可能有一半的水蒸氣，但也很有可能水的含量微不足道，絕大多數是氫氣、氦氣和氮氣。而且其他常見氣體如甲烷氨氣等，現有的設備壓根探測不到，也就不排除它們可能存在從而擠占水蒸氣比例的可能。 

　　此外，雖然水是生命之源，是普遍認知上生命存在的必要條件，但水的存在并非生命存在的充分條件，更多其他物質環境以及生命演化所需的苛刻條件疊加在一起，才可能孕育出生命。就像英國團隊自己所評價的那樣，“我們的發現雖然激動人心，但這絕非表明發現了生命！” 

　　  

　　三、不失為好的開始： 

　　迄今為止，我們腳下的這顆宇宙中的“暗淡藍點”，依然是目前已知唯一存在生命的星球，K2-18b上水的含量還不得而知，是否真的有生命更是難以知曉，但這次的發現卻不失為一個好的開始。 

　　天文學家從第一次發現太陽系外行星，知道除了八大行星以外還有其他行星存在；到現在通過開普勒望遠鏡的結果，推斷系外行星在宇宙中跟我們看到的恒星一樣普遍，只用了短短24年的時間。從第一次在木星大小的系外行星上探測到水，到今天能夠在宜居帶的超級地球上發現水的存在，也只花了12年。科技的進步使得系外行星領域的新成果層出不窮。 

　　2021年，接替哈勃的新一代太空望遠鏡——詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）將要上天，歐洲專門用于系外行星大氣研究的ARIEL望遠鏡也計劃于2028年升空。屆時，更高的探測能力和更寬的光譜覆蓋范圍，將會揭開K2-18b中水蒸氣的確切含量和更多的大氣組成。 


JWST（左）和ARIEL（右）望遠鏡 圖片來演：NASA/ESA 

　　  

　　人類目前已經發現了數百顆超級地球，未來也會有更多跟地球類似的行星被找到，新一代空間望遠鏡使得研究更加暗弱的系外行星大氣成為可能，更大樣本的觀測將幫助人類理解宜居帶行星的組成和氣候，離推斷其表面是否孕育生命，也將更進一步。 

人類首次在宜居帶行星上發現水?

圖文簡介

摘要：天文學家在一顆名叫K2-18b的行星上發現了水蒸氣存在的跡象，這意味著什么？