在宜居带系外行星大气中发现甲烷和二氧化碳

由剑桥大学领导的一个国际天文学家小组利用NASA/ESA/CSA詹姆斯韦伯太空望远镜的数据发现了K2-18b大气层中的甲烷和二氧化碳，K2-18b是一颗位于“金发姑娘区”的系外行星。这是首次在宜居带的系外行星大气层中发现碳基分子。

结果与富氢大气下的海洋覆盖表面一致。这一发现让人们得以一睹一颗与太阳系其他任何行星都不同的行星，并为宇宙其他地方可能存在的宜居世界提出了有趣的前景。

K2-18b的质量是地球的8.6倍，绕着宜居带中的冷矮星K2-18运行，位于狮子座，距地球110光年。对K2-18b大气层的首次了解来自哈勃太空望远镜的观测，但大气成分一直存在争议。

这些研究人员在2020年和2021年对K2-18b进行了研究，确定它属于一类新的宜居系外行星，称为“Hycean”世界，可以加速在其他地方寻找生命的过程。这促使他们更仔细地观察哈勃的继任者JWST。

利用JWST更高分辨率的仪器，这项新调查明确识别出了K2-18b上富氢大气中的甲烷和二氧化碳。

研究人员还在K2-18b光谱中发现了另一个较弱的信号。经过多次分析，研究人员表示该信号可能是由一种名为二甲基硫醚(DMS)的分子引起的。

在地球上，DMS仅由生命产生，主要是海洋浮游植物等微生物生命，这表明K2-18b上可能存在生物活性。虽然DMS的这些迹象是暂时的，需要进一步验证，但研究人员表示，K2-18b和其他海西亚行星可能是我们在太阳系外寻找生命的最佳机会。

研究结果已被《天体物理学杂志快报》接受发表，并将在美国马里兰州巴尔的摩举行的第一年JWST科学会议上公布。

K2-18b等系外行星的大小介于地球和海王星之间，与太阳系中的任何行星都不同。由于缺乏类似的附近行星，这意味着人们对这些“亚海王星”知之甚少，其大气层的性质也是天文学家之间争论的焦点。

“我们的研究结果强调了在其他地方寻找生命时考虑不同的宜居环境的重要性，”剑桥天文研究所的主要作者NikkuMadhusudhan教授说。

“传统上，在系外行星上寻找生命主要集中在岩石行星上，但海西亚世界显然更有利于大气观测。”

丰富的甲烷、二氧化碳和缺乏氨，与K2-18b中富氢大气层下存在海洋的情况一致。然而，DMS的推论不够稳健，需要进一步验证。

“需要更多的观察来确定我们所看到的是否确实是DMS，”Madhusudhan说。“DMS在大气中的可能性非常有希望，但我们计划重新审视以牢固地确立其存在。”

虽然K2-18b看起来像是在其他地方寻找生命的非常有希望的候选者，但它可能无法维持生命。

这颗行星的体积很大——半径是地球半径的2.6倍——意味着这颗行星的内部可能包含一个像海王星一样的高压冰地幔，但具有更薄的富氢大气层和海洋表面。海洋可能太热而无法居住或成为液体。需要更多的观察和理论工作才能最终确定这一点。

卡迪夫大学的合著者苏巴吉特·萨卡说：“虽然我们的太阳系中不存在这种行星，但亚海王星是迄今为止银河系中已知的最常见的行星类型。”

“我们已经获得了迄今为止最详细的宜居带亚海王星光谱，这使我们能够计算出其大气中存在的分子。”

表征像K2-18b这样的系外行星的大气层——意味着识别它们的组成气体和物理条件——是天文学中一个疯狂活动的领域。确定系外行星大气中存在的化学物质对于了解这些外星世界至关重要，并为宇宙其他地方的宜居性提供诱人的线索。

然而，这些行星的光芒实际上被它们更大的母恒星的光芒所掩盖，这使得探索系外行星的大气层变得具有挑战性。

研究小组通过分析K2-18b母星穿过系外行星大气层时发出的光来避开这一挑战。K2-18b是一颗凌日系外行星，这意味着当它经过其主恒星表面时，我们可以检测到恒星亮度的下降。

这就是2015年首次发现这颗系外行星的方式。这意味着在凌日期间，一小部分星光将穿过系外行星的大气层，然后到达地球。星光穿过大气层时在恒星光谱中留下了幽灵般的痕迹，天文学家可以将这些痕迹拼凑起来以确定系外行星大气层的组成气体。

Madhusudhan表示：“这一结果之所以成为可能，是因为Webb具有扩展的波长范围和前所未有的灵敏度，只需两次凌日即可实现对光谱特征的稳健检测。”

“相比之下，韦伯望远镜的一次凌日观测提供了与哈勃望远镜几年内在较短波长范围内进行的八次观测相当的精度。”

“这些结果只是对K2-18b的两次观测的结果，还有更多的观测结果正在进行中，”共同作者、同样来自剑桥天文学研究所的萨瓦斯·康斯坦丁努(SavvasConstantinou)说。“这意味着我们在这里的工作只是韦伯在宜居带系外行星中观察到的现象的早期演示。”

该团队现在打算进行后续研究，他们希望进一步验证他们的发现，并为K2-18b的环境条件提供新的见解。

该团队的下一轮韦伯观测将使用望远镜的中红外仪器(MIRI)摄谱仪来搜寻K2-18b的大气层，寻找被称为生物标记物的化学特征，包括DMS，这可能表明生物活动的存在。

马杜苏丹说：“我们的最终目标是在一颗宜居系外行星上识别生命，这将改变我们对我们在宇宙中的地位的理解。”“我们的发现是朝这个方向迈出的有希望的第一步。”