大约二十年前的今天，两支相互竞争的天文学家团队独立发现了第一颗已知的凌星系外行星——从地球上看，这颗行星会穿过其恒星表面，向这里守望的天文望远镜投下阴影。二十年后，凌星现象已成为系外行星研究的命脉，通过 NASA 的 开普勒 和 凌星系外行星巡天卫星 (TESS) 任务等太空望远镜，发现了数千个世界，使研究人员不仅能够测量行星的大小和轨道，还能测量其密度和整体成分。简而言之，凌星世界已被证明是蓬勃发展的寻找地球宇宙双胞胎的关键。然而，早在 1999 年，这些系外行星阴影可以被探测到的想法是如此奇妙，以至于验证它需要两个独立团队的共同努力。
现在，类似的场景再次上演：两个科学团队宣布他们独立发现了水——我们所知的生物学的基础——在一颗名为 K2-18 b 的凌星行星的大气层中。这颗行星在其恒星的宜居带中运行，宜居带是一个甜蜜点，星光可能足以温暖一个世界，使水在其表面汇聚和流动。作为寻找外星生命的一个里程碑，这一结果预示着不久的将来，天文学家将使用地面和太空中的新型先进望远镜，更深入地研究我们太阳邻近恒星周围最有希望的行星。
伦敦大学学院的天文学家、其中一项研究的主要作者安杰洛斯·齐亚拉斯说：“这是目前我们所知的太阳系外唯一一颗温度适宜支持水、拥有大气层并且含有水的行星。”该研究今天在《自然·天文学》杂志上发表。齐亚拉斯和他的同事使用复杂的计算机模型，从哈勃太空望远镜收集的数据中梳理出 K2-18 b 上水蒸气的迹象，使这颗行星成为他所说的“目前已知的最适合居住的候选者”。
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哈勃数据并没有显著说明 K2-18 b 上水的量——在行星的上层大气中，无论是少量的水分还是海洋的水量都会表达出类似的信号。齐亚拉斯和他的同事认为，水蒸气可能占 K2-18 b 大气层的百分之一到一半。要确定有多少水（以及其他气体，如甲烷、二氧化碳和氨气），将需要使用未来的太空设施进行更广泛的观测，例如 NASA 的 詹姆斯·韦伯太空望远镜、欧洲航天局的 大气遥感红外系外行星大型巡天 (ARIEL) 望远镜和 新一代的超大型地面望远镜。
K2-18 b 的大小略大于地球的两倍，质量几乎是地球的九倍 ，可能有一个由岩石或冰组成的固体核心，周围环绕着令人窒息的厚厚的氢气层——以及其他气体，显然包括水蒸气。这个世界是开普勒在 2015 年发现的，它在一个昏暗、寒冷的红矮星周围以 33 天的轨道运行，距离我们约 110 光年，位于狮子座。这颗恒星的光度不到我们太阳的 3%，但由于 K2-18 b 离它如此之近地轨道运行，这颗行星接收到的星光仅比我们自己的行星多 5%。并且由于这颗行星会凌星，因此部分星光会穿过其上层大气层到达这里的天文望远镜，从而拾取并传输有关 K2-18 b 大气中气体混合物的信息。
在 2016 年至 2017 年间的八个不同时间，蒙特利尔大学的比约恩·贝内克领导的团队使用哈勃太空望远镜以及开普勒和斯皮策太空望远镜测量了 K2-18 b 的凌星大气闪烁。哈勃数据通常在收集后立即向公众发布，在这种情况下，该政策允许齐亚拉斯和他的同事进行他们的研究。就像齐亚拉斯的团队一样，贝内克团队的独立分析表明，K2-18 b 的上层大气中存在统计上显著比例的水蒸气——而且，独特的是，该团队认为有液态水滴在更深处凝结的迹象。也就是说，贝内克和他的同事报告了云和雨的证据。他们的研究已发布在预印本服务器 arXiv.org 上，并已提交给《天文学杂志》进行同行评审出版。
贝内克说：“两项研究都表明这颗行星上有大气层和水，这使得结果更加有力。” “发现水蒸气很棒，但 K2-18 b 的特别之处在于我们的模型表明其大气层的部分区域具有足够温度和压力，可以让水蒸气凝结成液态水滴。而这些水滴，就像地球大气层中的水滴一样，将形成云并以降雨的形式落下。正如在地球上一样，云和大气气态部分之间应该存在相互作用的凝结和蒸发，活跃的水循环。”
贝内克推测，云层可能形成的大气区域可能相对舒适，压力为一个地球大气压，温度与典型起居室的温度相差不远。“在许多方面，这颗行星不像地球，但在其他方面，它又非常相似。在厚厚的 газовой 外壳下可能没有有意义的‘表面’。即使有，它也会承受非常高的压力。难以想象像人类这样的生物在那里四处走动——但也许某种极端微生物可以在这些水云中生存。”
多云，可能适合居住
一些研究人员称 K2-18 b 及其同类为“超级地球”；另一些人则更喜欢称它们为“迷你海王星”。但无论名称如何，关于这些物体最明显的事实是，它们中没有一个围绕我们的太阳运行，尽管它们是银河系中最丰富的行星类型。我们目前真正了解它们的一切都来自太阳系外研究。到目前为止，这些研究表明，大多数这些行星，大小介于地球和海王星之间，与地球完全不同。
贝内克说：“我喜欢称它们为‘混合’行星，这些世界有岩石核心和厚厚的氢气外壳。” “这不是像地球那样具有稀薄大气层的裸露岩石，但也不是像海王星或木星那样的巨行星。”
研究此类中间世界的吸引力之一——正在进行的 TESS 任务已经发现了更多此类世界——是它们可能会揭示关于各种尺寸行星如何形成的根本信息。
哈佛大学史密森天体物理中心 (CfA) 的天文学家劳拉·克雷德伯格说：“我们认为，对于大小约为地球 1.8 倍的行星，会发生从岩石行星到气态行星的转变。”她没有参与这项研究。“K2-18 b 接近这个边界，因此[这些研究]正在让我们初步了解接近这种转变的世界的大气层。”
康奈尔大学的天文学家尼科尔·刘易斯也没有参与这两篇论文，她指出，这并不是第一次在太阳系外的世界中看到水蒸气、云，甚至可能是雨的迹象。但早期的那些发现来自 K2-18 b 较大、更热的同类行星，它们围绕着其他恒星，这些世界更坚定地站在行星分界的“海王星”一侧。“K2-18 b 代表着探测更冷、更小行星的道路上迈出的重要一步，”她说。“它有可能告诉我们，红矮星周围宜居带或附近行星的大气层是如何形成和演化的，这将对于理解较小的‘地球大小’行星的潜在宜居性非常重要。”
最重要的是，K2-18 b 上的水蒸气将是迄今为止最好的证据，证明红矮星宜居带中的小型行星可以拥有大气层。在某些方面，微小的红矮星可以发挥出远超其重量的作用，释放出侵蚀大气层的辐射量，这些辐射量在恒星生命的早期达到顶峰，而新生行星可能最脆弱。而早期对围绕超暗红矮星 TRAPPIST-1 运行的几颗潜在宜居行星进行研究的少量哈勃研究令人沮丧：尝试研究几颗可能适合居住的行星的假定大气层，这些行星凌星一颗名为 TRAPPIST-1 的超暗红矮星，结果结果不确定。而最近对 LHS 3844 b 的探测表明，这颗凌星红矮星比我们自己的行星大三分之一，这颗行星很可能根本没有空气。
麦吉尔大学的天文学家尼古拉斯·考恩说：“宇宙中绝大多数宜居空间可能都在红矮星周围，因为这些是最常见的恒星，而且它们恰好有很多非常靠近它们的岩石行星。”他与这两篇新论文均无关。“在研究表明 LHS 3844 b 看起来像一块干燥、贫瘠的岩石之后，我们中的一些人开始担心起来。也许红矮星世界最终会成为天体生物学的虚假线索。”
考恩说，这种担忧就是 K2-18 b “意义重大”的原因，尽管它明显不类地，并且有点不适宜居住。“这表明宇宙中最常见的行星房地产也可能适合居住——不仅有大气层，而且还有水蒸气。”
即便如此，并非所有人都相信水蒸气的主张不仅仅是热空气。“声称探测到的统计意义并不强烈，”CfA 的天文学家大卫·查博诺说，他与人在 1999 年共同发现了第一颗凌星行星。与基于两个不同数据集的发现不同，两个团队分享的新发现仅依赖于一个数据集——来自哈勃望远镜，而哈勃望远镜的设计目的并非执行如此精细、具有挑战性的测量。“是的，这具有暗示性，”查博诺说。“但天文学家研究凌星行星已经 20 年了，所以我认为我们已经过了‘暗示性’研究的时代。”