K218b是被水海还是熔岩海所覆盖

在寻找可能存在生命支持的系外行星时，液态水是关键指标。地球上的生命需要液态水，科学家坚信其他地方也是如此。但从很远的距离来看，很难分辨哪些世界有海洋。其中一些可能有熔岩海洋，而将两者混淆是更清楚地了解系外行星、水和宜居性的障碍。

这就把我们带到了K2-18b，一颗迷你海王星，绕着一颗红矮星(M矮星)运行，距离我们约134光年。开普勒太空望远镜于2015年发现了它。美国宇航局的系外行星目录将其描述为一个潜在的岩石世界，其质量几乎是地球的九倍。它绕一圈大约需要30天，距离恒星大约0.1429个天文单位。

当它被确认为一颗行星时，发表在《天体物理学杂志》上的论文作者写道，“围绕K2-18运行的行星可能是凌日系外行星大气研究的一个有趣目标。”

预言性的话，当JWST在2023年检查K2-18b的大气时，它发现了含碳分子甲烷和二氧化碳。NASA的一份新闻稿称：“韦伯的发现进一步证实了最近的研究表明K2-18b可能是一颗海鲸系外行星，它有可能拥有富含氢的大气层和被水海洋覆盖的表面。”

行星科学家对海西亚系外行星非常感兴趣。就目前情况而言，它们纯粹是假设的。但如果科学家能够证实其中一颗海洋行星的存在，我们银河系其他地方的生命前景将发生巨大变化。(如果它们不受失控的温室效应的影响。)如果我们能够可靠地找到分布在恒星中的海西亚世界的种群，那么这肯定会构成一个强有力的信号，表明生命并不局限于地球。

但海斯世界存在很多不确定性。它们存在吗?他们能守住海洋吗?还是海洋太热了?还有什么可以解释JWST的大气发现吗?为什么观测和气候模型之间存在差异?一篇新论文的作者指出，从观察来看，K2-18b是典型的海星世界。因此，这是尝试回答一些科学问题的好地方。作者表示，K2-18b确实可能是一颗海洋行星，但是是熔岩海洋而不是水。

这篇新论文是“区分迷你海王星K2-18b上的水海洋和岩浆”。主要作者是奥利弗·肖特尔(OliverShorttle)，他在剑桥大学天文学研究所研究行星化学。该论文处于预印本阶段，尚未经过同行评审，但可以在arXiv上获取。

作者写道：“我们通过研究岩浆海洋对迷你海王星大气化学的影响，提出了解决观测与气候模型之间差异的解决方案。”

K2-18b是一个拼图。它的密度介于海王星和地球之间，这意味着它的成分不确定。其密度涵盖了一系列可能的成分。JWST观测表明，它的大气层富含碳，而大气层缺乏氨。这些观测结果都表明海洋世界具有浓厚的H/He大气层。

但还有另一种可能的解释：岩浆海洋。作者写道：“我们证明，大气中NH3的消耗是还原条件下岩浆中氮物质高溶解度的自然结果，正是在厚厚的氢包层与熔融行星表面连通的条件下。”

正如在大气中经常发生的情况一样，氧气的可用性起着巨大的作用。氧气是一个浪荡公子;它几乎喜欢与任何东西结合。它的存在决定了大气中发生的很多事情。

“岩浆的氧化程度对氮的溶解度有着深远的影响，”作者说。因为氨是NH3，所以氮是氨形成所必需的。因此，当JWST在K2-18b的大气中没有发现氨时，这可能根本就表明不存在海西亚世界。相反，它可能表明存在岩浆海洋。

研究人员使用模型和模拟来尝试确定JWST观测结果对K2-18b的意义。

研究人员发现，他们对岩浆海洋世界的一些模拟结果与JWST的发现一致。他们写道：“岩浆海洋场景中产生的一组大气与JWST观测到的K2-18b的完整透射光谱一致。”并补充说，“这种自洽的岩浆海洋模型可以产生与该模型在质量上相似的透射光谱。观测到的K2-18b以及一般假设的海星行星。”

如果肖特尔和他的同事是正确的，那么氨的缺乏就不能再用来表明海西亚世界上存在海洋。氨在大气中的分布可归因于岩浆海洋场景和水世界场景。它们并不排他。

解决办法是什么?

研究人员写道：“因此，应该寻找水海洋与岩浆海洋存在的替代的相互排斥的化学示踪剂，以便未来的观测能够区分这些潜在的情况。”

作者认为他们可能已经找到了一种可以完成这项工作的化学示踪剂。他们表示，在系外行星大气层中同时发现CO2和CO可能会反驳岩浆海洋的存在。“一种可能的示踪剂，以及岩浆海洋场景与K2-18b观测到的光谱的潜在不匹配的根源，是CO2和CO的共存，”他们解释道。问题是K2-18b大气中是否存在二氧化碳尚不确定。

研究人员表明，我们不能依靠检测到碳而未检测到氨来表明海西亚世界，因为在某些情况下，岩浆海洋可以产生相同的大气化学成分。可以做什么?

当然，更好的数据和更多的研究。

他们总结道：“开发明确的大气示踪剂来区分液态水和岩浆海洋的存在，是我们在系外行星中寻找潜在宜居世界的关键。”

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