110光年外的雨云

伦敦大学学院行星科学家安杰洛斯·齐阿拉斯

全世界的行星科学家都在为最近的一个发现而感到格外激动。这个发现不仅向人类展示出一个从未见过的域外之境，更展现出无限的可能。这个发现是关于液态水。人类有可能第一次在太阳系之外的行星上发现了雨云。

2019年9月11日，《自然·天文学》（Nature Astronomy）杂志刊登了一篇来自伦敦大学学院的行星科学家安杰洛斯·齐阿拉斯（Angelos Tsiaras）的论文：《位于宜居区内八个地球质量的行星K2-18 b大气层中存在水蒸气》（“Water Vapour in the Atmosphere of the Habitable-Zone Eight-Earth-Mass Planet K2-18 b”）。这篇论文立即在全世界引起了轰动。

一篇论文，引发了人们无尽的联想，就是因为其中蕴含着无尽的可能性。人类并非第一次在地外行星发现水的痕迹，却是第一次在宜居带发现大气层中有水的行星。所谓“宜居带”，是指恒星周围的一个区域，在这个区域内，围绕恒星运转的行星因为接受到来自恒星适当的能量辐射，其表面温度可以允许液态水存在。

水是生命之源。以地球作参照，有了液态水存在，才有了生命存在的可能。这颗名为“K2-18 b”的位于狮子座的行星，距离地球大约110光年，围绕着一颗小红矮星运转。它恰好处于这颗恒星的宜居带内，说明它的表面有可能存在液态水，也就说明在它充满氢气的大气层的包裹下，有可能存在生命现象。

想要探测太阳系外行星大气层的成分并不容易。人类之前也曾经在巨型气态行星的大气层中发现过水分子的痕迹。行星的体积越小，想要探测其大气层的成分就越难。随着探测仪器的不断进步，现在人类已经有能力探测“超级地球”的大气层成分——目前还没有关于“超级地球”非常严格的定义，大致是指质量在地球和海王星之间、与地球类似的行星。

行星K2-18 b就是一个超级地球。它的半径大约是地球半径的2倍，质量大约是地球的8.9倍，每32.9个地球日围绕恒星运行一圈，与其恒星的距离是地球与太阳距离的0.14倍。美国航空航天局（NASA）的科学家利用开普勒空间望远镜（Kepler Space Telescope）在2015年发现了这颗行星。人类随即对这颗行星进行持续观测。

当行星运行到恒星与地球之间时，恒星的光线穿过行星的大气层到达地球，频率会发生变化。从地球上看来，恒星光线的颜色发生了改变。伦敦大学学院的一组科学家分析了哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）和斯皮策空间望远镜（Spitzer Space Telescope）在2016和2017年间对行星K2-18 b的探测数据。科学家们开发了一组算法，用以分析行星在经过其恒星表面时，恒星射向地球的光线的频率变化，以此分析行星K2-18 b的大气层成分。在分析了行星K2-18 b八次飞临恒星表面引起的光线变化之后，科学家们断定，行星K2-18 b的大气层中除了含有大量氢气和氦气之外，还含有水分子。

不仅如此，还有观测证据显示，这些在行星K2-18 b大气层中的水分子可能正在凝结成液态水——也就是说，科学家们有可能观测到了距离地球110光年之外的雨云。这些大气层中的水分子会形成降雨落到行星表面，而后再转化成水蒸气重新回到大气层。这有可能是人类第一次在太阳系之外观测到一个水循环系统。这对于人类寻找地外行星，乃至外星生命，都意义重大。

实际上，根据现有的证据，人们还难以判定在行星K2-18 b的大气层中是否有云存在。伦敦大学学院的科学家提出了三种可能：一种是在这颗行星的大气中没有云，其中20%～50%的气体都是水蒸气；另外两种可能则是行星大气中有云存在，其中水蒸气的含量占到大气中气体含量的0.01%～12.5%。

在一个太阳系外恒星的宜居带中发现一个超级地球，在大气中有水存在，那么下一个问题自然就是，在这颗行星上有没有可能存在生命？对于这个问题，目前还没有明确的答案，科学家们对此的观点也并不一致。在地外行星的表面发现水固然已经是一个巨大的成就，但还并不能把水直接与生命现象联系在一起。

太阳系内的第二颗行星金星也位于太阳系的宜居带内，在金星的大气层中也曾经含有大量的水。但是因为金星距离太阳太近，大量的水分被太阳风带走，因此并不适宜生命存在。行星K2-18 b可能面临着和金星类似的情况，它虽然比地球更大，引力更强，但是要承受远强于地球的恒星辐射。在这样严酷的环境中能否存在生命，还需要进一步的探测。

要获得关于生命的证据，一方面，人类需要更加详细地探测行星K2-18 b的大气成分，检查其中是否还有生物排放出的气体；另一方面，人类需要寻找更多的超级地球，探测更多超级地球的大气成分。科学家们相信，如果有了更多关于超级地球大气构成的数据，那么有生命存在的行星自然会脱颖而出，像地球一样，在各方面都显示出不同。

人们期待着美国航空航天局在2018年发射的凌日系外行星勘测卫星（TESS）在接下来的几年里发现更多的超级地球。即将在2021年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope），凭借更先进的设备，也将对行星K2-18 b进行更深入的探测，检查它的大气层中是否还含有氮气和甲烷，以及其他可能来自生物排放的气体痕迹，从而判断是否可能有生物存在。

欧洲空间局（ESA）计划在2028年发射“大气遥感红外系外行星大型调查”（ARIEL）太空望远镜，预计将会发现数以千计的地外行星，并分析它们的化学成分。有天文学家相信，随着人类技术的不断进步，会发现越来越多的地外行星，对行星的探测也会越来越细致，发现地球之外的生命现象只是一个时间问题，这也将彻底改变人类对于生命的认知。

（本文写作参考了《自然》《科学》杂志和美国航空航天局网站的相关报道） 恒星形成科学天文宜居行星太阳系行星太空大气层地球质量