解码亚海王星：为何大气逃逸可能排除海洋世界的存在

解码亚海王星：为何大气逃逸可能排除海洋世界的存在

多年来，系外行星 K2-18 b 一直吸引着科学界和公众的目光，它是“氢海”（Hycean）世界——一种假设的行星类别，在富氢大气下拥有全球性的液态海洋——的首选候选者。这种对深空中宜居“水世界”的迷人愿景驱动了大量的观测工作。然而，一项利用新型“大气逃逸时间尺度论证”的研究表明，包括 K2-18 b 在内的许多亚海王星实际上可能是伪装的气态巨行星。研究指出，这些行星可能完全缺乏固态或液态表面，取而代之的是厚重的氢氦包裹层，从而排除了存在维持生命的海洋的可能性。

这项由 James E. Owen、James Kirk 和 James G. Rogers 领导的研究解决了系外行星科学中最持久的谜团之一：“亚海王星身份危机”。天文学家长期以来注意到系外行星分布中存在一个“半径谷”，这是一个将较小的岩石“超级地球”与较大的被气体笼罩的“亚海王星”分开的缺口。虽然超级地球的组成已相对明确，但亚海王星——半径在地球 2 到 4 倍之间的行星——仍然是一个谜。它们是由水（H2O）等高分子量挥发物组成的“水世界”，还是由被厚重的低密度氢氦（H/He）包裹层包围的岩心组成的“迷你海王星”？区分这两种情形对于确定银河系中最常见行星类型的宜居性至关重要。

时间尺度论证：一种新的分析工具

为了解决这种模糊性，Owen 及其同事开发了一种利用行星上层大气逃逸气体观测结果的技术。该方法建立在基本的“时间尺度论证”之上。如果目前观测到一颗行星正以特定速率流失氢或氦，那么它必须拥有足够大的气体储库，才能在行星数十亿年的寿命中维持这种逃逸。通过计算支持观测到的质量流失率所需的最小储库质量，研究人员可以得出大气平均分子量的上限。

简单来说，如果一颗行星今天正在迅速“泄漏”氢气，那么它最初必须拥有大量的氢气供应。如果大气主要由水蒸气等较重的分子组成（这将使其具有较高的平均分子量），那么观测到的氢气逃逸率在地球物理时间尺度上将是不可持续的。因此，轻质气体的高逃逸率是低分子量、氢占主导地位的包裹层的“有力证据”。这种方法为凌日光谱学提供了一个强有力的验证，因为凌日光谱学有时会因高空云层或雾霾的存在而产生误导。

遭受质疑：重新评估 K2-18 b 和 TOI-776

研究人员将该技术应用于几个典型的亚海王星，最著名的是 TOI-776 b、TOI-776 c 以及著名的 K2-18 b。在 TOI-776 系统中，James Webb Space Telescope (JWST) 的观测显示出相对平坦的凌日光谱。孤立来看，平坦的光谱有两种解释：要么大气富含水等重分子（这会压缩大气并削弱光谱特征），要么是富氢大气中存在阻挡光线的高空悬浮颗粒（云）。通过将 JWST 数据与逃逸率限制相结合，团队排除了 TOI-776 c 的高分子量情形。逃逸率要求行星拥有巨大的 H/He 储库，证实了它是一个带有云层的低密度气态巨行星，而非海洋世界。

然而，最引人注目的结果涉及 K2-18 b。自从 JWST 在其大气中探测到甲烷和二氧化碳以来，这颗行星一直是激烈辩论的主题，一些研究人员将其解读为“氢海”世界的证据。然而，K2-18 b 也显示出存在氢气逃逸外逸层的初步迹象。如果这种逃逸气体的探测是可靠的，那么时间尺度论证对“氢海”假说将是毁灭性的。该团队的分析推断出其富氢包裹层质量分数为 log f_env = -1.67 ± 0.78。这一结果在约 4σ（标准差）的统计显著性水平上与“氢海”模型不一致，表明 K2-18 b 几乎可以肯定是一个没有液态表面的迷你海王星。

James Webb Space Telescope 的作用

这项研究的成功凸显了 James Webb Space Telescope 不断演变的角色。虽然 JWST 常因其通过光谱学“嗅出”大气化学成分的能力而受到赞誉，但这项研究证明，它对逃逸气体外逸层的高精度观测同样至关重要。识别逃逸的氢或氦的存在，让天文学家能够以静态光谱学无法做到的方式窥探行星大气的“内部结构”。

系外行星表征的主要挑战之一是光谱数据的“多解性”。“平坦”的光谱通常是一个模糊的信号。大气是稀薄且沉重，还是厚重、轻盈且多云？通过测量气体逃离行星引力的速率，研究人员可以打破这种多解性。持续的逃逸充当了行星总气体含量的诊断指标。对于所研究的亚海王星，高逃逸率这一“有力证据”一致指向气态巨行星的分类，这表明许多先前被认为富含水的世界，实际上被层层原始气体所笼罩，难以穿透。

对寻找生命的影响

这对寻找生命的影响是深远的。如果大多数亚海王星确实是迷你海王星而非“氢海”世界，那么这些行星的“宜居带”可能要窄得多，甚至根本不存在。没有固态或液态表面的行星无法维持我们所知的生命所需的地球化学循环。这项研究表明，科学界在寻找生物特征时，可能需要将注意力重新转向真正的岩石行星——那些处于半径谷较小一侧的行星。

然而，研究人员提醒说，虽然他们的发现具有统计学意义，但它们取决于逃逸气体探测的可靠性。就 K2-18 b 而言，氢气外逸层的探测仍是初步的。论文强调需要进一步的观测跟进以确认这些逃逸率。如果得到证实，K2-18 b 作为宜居海洋世界的梦想可能会破灭，取而代之的是一个动荡的、富含气体的巨行星。

未来方向

展望未来，Owen、Kirk 和 Rogers 开发的“时间尺度论证”为未来的系外行星调查提供了路线图。随着 JWST 继续执行任务，以及极大望远镜 (ELT) 等下一代望远镜的上线，测量质量流失率将成为行星表征的标准要求。通过建立更大的已知逃逸率行星数据库，天文学家可以开始以前所未有的清晰度描绘出亚海王星群体的真实构成。

研究总结道，亚海王星的内部组成仍然是该领域最重要的“悬而未决的问题”之一。然而，通过将这些行星视为随时间演变的动态系统——而非静态对象——科学家们终于找到了拨开云雾、揭示这些遥远世界真实面貌的工具。无论 K2-18 b 是气态巨行星还是海洋世界，答案都将从根本上重塑我们对宇宙中生命可能存在之处的理解。