這幅插圖展示了熾熱的岩石係外行星TRAPPIST-1 b可能的樣子。一種新方法可以幫助確定哪些岩石係外行星可能有大量的地下水。鳴謝:uux.cn/美國國家航空航天局、歐空局、加空局、J. Olmsted (STScI)
（神秘的地球uux.cn）據今日宇宙（埃文·高夫）：天文學家知道大約有60顆岩石係外行星在其恒星的宜居帶中運行。當他們試圖確定這些行星是否適合居住時，探測它們大氣中的水發揮了巨大的作用。但是，如果有另一種方法來測量這些世界的水含量呢？
研究人員正在開發一種方法來模擬這些世界，以確定它們有多少水。
據我們所知，宜居性可能需要地表水。但是探測地表水幾乎是不可能的。下一個最好的方法是使用我們擁有的工具——比如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡——來探測和描述係外行星的大氣層。但是，盡管JWST的力量，它不能檢查每一個係外行星的大氣。有些是它力所不及的。但是，一個研究小組正在利用我們對係外行星、潮汐加熱和輻射加熱的了解，試圖確定哪些係外行星可能有海洋，要麽在表麵上，要麽在表麵下。
科學家小組檢查了可居住帶中的岩石係外行星列表，並使用建模來確定它們有厚的表層或次表層海洋層的可能性。他們在預印服務器arXiv上發表了題為“宜居帶中岩石係外行星的含水量”的論文主要作者是來自匈牙利布達佩斯Konkoly天文台和HUN-REN天文學和地球科學研究中心的Adam Boldog。
係外行星科學家麵臨的障礙之一是M矮星或紅矮星的擴散。銀河係中有一半的恒星可能是紅矮星，這也是我們在可居住區發現最多岩石行星的地方。但是紅矮星表現出明顯的閃光，有時這種閃光比我們太陽產生的任何東西都要強大得多。
由於紅矮星不像類太陽恒星那樣明亮，它們的可居住區離恒星更近。這意味著可居住帶中的係外行星可能被紅矮星強大的耀斑剝奪了大氣層。一旦大氣消失，地表水肯定會隨之而來。
在這種情況下，即使沒有大氣層，這顆行星仍然可以支持生命。紅矮星可居住帶中的岩石行星可能有大量液態水，隻是不在表麵。它們可能更像我們太陽係的海洋衛星歐羅巴、恩克拉多斯和其他衛星。他們有充足的水，在某些情況下比地球還多。但是它們沒有地表水，隻有極其稀薄的大氣。JWST的大氣光譜不能告訴我們太多關於這些類型的世界，以及它們是否有海洋。
“因此，探索其他不依賴於大氣存在的研究係外行星可居住性的可能方法是很重要的，”作者解釋道。
“在這項研究中，我們調查了岩石係外行星的內部，以確定那些可能有大量水的行星，”作者寫道。“我們模擬了28個岩石係外行星的內部，假設了四個不同的層——一個鐵芯，一個岩石地幔，一個高壓冰層，以及一個表麵冰/水層。”
除了行星的結構之外，它的熱量收支對液態水含量也有很大影響。行星產生熱量有兩種方式。一個是來自地球地幔和地殼中鈾、釷和鉀同位素放射性衰變的輻射熱。另一種是潮汐加熱，這種加熱來自於行星的軌道和旋轉產生的摩擦。研究人員在他們的模型中包括了兩者的可能數量。
“考慮到潮汐和輻射加熱的影響，我們估計了這些行星上存在厚海洋層的可能性，”作者解釋說。
研究中的一些行星是眾所周知的。比鄰星b是離地球最近的係外行星，這使它成為人們激烈猜測和研究的對象。TRAPPIST-1行星在幾年前被發現時成為頭條新聞。其他的，包括TOI 700d，是有趣的地球大小的係外行星。
在他們的建模中，研究人員將係外行星的結構建立在先前的工作基礎上，這些工作表明，岩石係外行星可能有一個鐵芯，一個岩石地幔，一個由高壓冰多晶型物(HPP)組成的層，以及一個表麵冰/水層。
根據每顆行星的質量和半徑，研究人員確定了28顆行星的水質量分數。這是一個測量每個行星的質量中有多少是水的指標。該模型得出了每顆行星的水質量分數範圍。
一些行星的輸入質量和大小比其他行星更確定，由此產生的H2O質量分數集中在一個相對較窄的範圍內，H2O質量分數在最大概率下顯示出分布的峰值。

研究中的這張圖顯示了28顆岩質係外行星在不同H2O質量分數範圍內的內部結構分布。請注意，頂部和底部麵板的百分比增量不同:頂部為3%，底部為6%。比如開普勒62 f，452 b，442 b都可能是水世界。致謝:uux.cn/Boldog等人，2023年
“顏色和數字表明了在一定的H2O質量分數範圍內所有模擬內部結構的分數，”作者解釋說。“如果一個給定的行星的大量內部具有高H2O質量分數，那就表現為數值和更淺的顏色向更高的質量分數範圍移動。”
研究人員發現，他們樣本中的所有28顆行星都可能有全球性的冰或水麵。有些甚至不需要大氣層。
研究人員寫道:“我們的結果表明，所有這些行星都可能具有足夠大的H2O質量分數，足以形成全球冰/水麵。”。“表麵溫度高於冰的熔點且水的質量分數較大的行星可能存在全球海洋，而不管大氣是否存在。”

研究中的這張圖展示了一些結果。每顆行星上圓點的顏色代表了它有內部海洋的可能性。致謝:uux.cn/Boldog等人，2023年
根據這項研究，表麵溫度低於熔點的行星可能仍然有水，但會被冰覆蓋。“如果這些天體內部的熱通量足夠高，導致HPP層融化，這些星球可能隱藏著地下液態水庫，”他們解釋道。
這項研究有趣的結果包括TRAPPIST-1行星。由於我們比研究中的其他28顆行星擁有更準確的數據，研究人員說他們的結果更有可能是準確的。“所有模擬的TRAPPIST-1行星都可能有擴展的H2O層，”作者解釋說，並補充說，這些層的性質需要確定，以評估可居住性。
28顆行星中的一些有如此多的水，它們可能是海洋行星。在這種情況下，水蒸氣可以提供足夠的大氣壓力來保護海洋表麵。“我們的結果表明，開普勒-62 f、開普勒-452 b和開普勒-442 b可能是海洋世界的成員。”
這項研究有一些不足之處，作者很快就指出來了。首先，我們對其他太陽係中的輻射加熱的理解是基於對我們太陽係的概括。在其他太陽係的岩石行星中，放射性元素的數量可能多得多，也可能少得多。
潮汐加熱同樣是不確定的。“值得注意的是，潮汐加熱強烈依賴於行星軌道的偏心率，這在行星的演化過程中會發生變化，”作者解釋道。偏心軌道上的行星經曆潮汐加熱。但是，靠近恒星的行星最終會朝著圓形軌道運動，這可能會消除熱源。
如果這些結果中的一些是正確的，那麽擁有地下海洋的世界可能比我們想象的要多。誰知道呢？也許地球才是怪人。
“地下海洋可能是生命發展的絕佳場所，盡管用我們目前的技術很難觀察到這一點，”作者總結道。
像這樣的研究無法取代直接觀察，但曆史表明它們在提煉科學家思維方麵有多麽重要。雖然我們不能很好地觀察這些行星，以確定它們是否有海洋，但至少科學家可以利用他們所知道的，努力找到答案。