藝術家對K2-18b的想象。圖片：Amanda Smith

天文學家發現一顆系外行星可能是地球的兩倍以上，這可能使它成為可居住的行星，這為尋找比地球大但小於海王星的行星打開了尋找生命的大門。

劍橋大學的一個研究小組使用了系外行星K2-18b的品質、半徑和大氣資料，並確定了該行星有可能在其富氫大氣下存在液態水的適宜居住條件。結果發表在“天體物理學快報”中。

該系外行星K2-18b，124光年遠，半徑是地球的2.6倍的品質是地球的8.6倍，位於恆星的可居住區，那裡的溫度可能存在液體水。由於兩個不同的團隊報告說，在其富氫大氣層中檢測到水蒸氣，因此該行星成為2019年秋季媒體大量報道的主題。然而，大氣層的範圍和底部條件仍然未知。

領導這次新研究的天文學家，劍橋大學自然研究所的尼庫·馬杜蘇丹（Nikku Madhusudhan）博士說：“已經在許多系外行星的大氣層中檢測到水蒸氣，但是即使行星處於宜居區域，也不一定意味著表面存在宜居環境。為了確定宜居性的前景，重要的是要對行星的內部和大氣條件，尤其是液態水是否可以存在於大氣層之下，有一個統一的了解。”

考慮到K2-18b的大尺寸，有人猜測說它更像是小版本的海王星，而不是大版本的地球。預計“迷你海王星”會在高壓水層外圍有顯著的氫氣包裹，其核心是岩石和鐵。如果氫氣包裹太厚，則下面的水層表面的溫度和壓力將太大而無法維持壽命。

現在，馬杜蘇丹和他的團隊表明，儘管K2-18b的尺寸很大，但其氫層不一定太厚，水層可能具有維持生命的適當條件。他們使用現有的大氣觀測以及品質和半徑來確定大氣和內部的組成和結構，並使用詳細的數值模型和統計方法來解釋資料。

研究人員證實，大氣中富含氫氣，並帶有大量的水蒸氣。他們還發現，甲烷和氨氣等其他化學物質的含量低於這種氣氛的預期水平。這些水平是否可以歸因於生物學過程還有待觀察。

然後，研究小組將大氣屬性用作行星內部模型的邊界條件。他們探索了各種各樣的模型，這些模型可以解釋大氣特性以及行星的品質和半徑。這使他們能夠獲得內部可能條件的範圍，包括氫氣包裹層的範圍以及水層中的溫度和壓力。

論文合著者，天文學研究所的學生馬修·尼克松（Matthew Nixon）說：“我們想知道氫氣包裹層的厚度-氫能走多深。儘管這是一個涉及多種解決方案的問題，但我們已經證明不需要太多的氫就可以一起解釋所有觀測結果。”

研究人員發現，儘管大多數解決方案所需的能量要少得多，但資料所允許的最大氫氣包裹度約為行星品質的6％。最小量約為行星品質的百萬分之一，與地球大氣層的品質分數相似。尤其是，在許多情況下都可以構成海洋世界，處於低於大氣層的液態水的壓力和溫度類似於地球海洋中的壓力和溫度。

這項研究為開拓了尋找比太陽系行星大得多的系外宜居行星的方法。此外，利用當前和未來的觀測設施，諸如K2-18b之類的行星更易於進行大氣觀測。可以使用大型設施（例如即將推出的James Webb空間望遠鏡）對未來的觀測結果來完善本研究中獲得的大氣限制。