zhengrong8247
太陽系以外的水行星可能比之前預計的還要普遍，它們佔據了太陽系外行星總數的35%。一項新的研究指出，根據開普勒太空望遠鏡和蓋亞任務的數據顯示，水在許多行星的質量佔比達到了一半。水是尋找地外生命的重要組成部分，它被認為是任何生物存在的基礎。沒有水就代表沒有生命，所以想要找到可能存在生命體的系外行星則要先找到擁有水跡象或至少有液態水存在的合適條件的行星。
現在，由哈佛大學Li Zeng領導的一個國際研究小組發現，水世界在太陽系外的存在可能比以前認為的要普遍得多。研究發現，在4000多顆被證實或候選的系外行星中，有許多的半徑是地球的1.5至2.5倍。然而，當他們試圖模擬這些類地行星的內部結構時發現了一些有趣的東西。
Li指出，他們通過研究質量與半徑的關係然後建立了一個能夠解釋該種關係的模型，模型顯示，那些半徑為地球1.5倍左右的系外行星往往都是岩石行星，而半徑為地球2.5倍的則可能是水行星。
這種現象可以歸結為約35%比地球大的系外行星都是水世界。然而這並不代表它們就跟地球一樣，實際上它們許多就跟地獄一樣，有著像高壓鍋一樣的環境。Li稱，這些行星的表面溫度預計在200-500攝氏度之間，它們的表面可能被水蒸氣主導的大氣所籠罩，下面則有一層液態水。再往深處看，這些水在抵達固態岩石核心之前變成了高壓冰。
“我們的數據顯示，在所有已知比地球大的系外行星中，大約有35%應該富含有水。這些水世界類似於太陽系中的木星、土星、天王星、海王星的形成方式。在地面光譜追蹤的幫助下，最新發射的TESS衛星將會發現更多這樣的行星。下一代太空望遠鏡詹姆斯-韋伯太空望遠鏡將有希望帶來關於這些行星的大氣特徵。對於那些對這些遙遠世界感興趣的人來說，這是一個激動人心的時刻。”
cnBeta
有人提出這個問題，估計是看到了和這條相類似的新聞
據美國太空網20日報道，行星“捕手”開普勒望遠鏡“遲暮之年”再立新功。近日，日本科學家利用開普勒的觀測結果和地面觀測數據，發現了15顆圍繞紅矮星運行的新行星，且其中一顆行星的表面可能有液態水。
每次這樣的新聞出現都會廣泛地在媒體上引起熱潮，甚至部分媒體從人員直接報出“我們找到第二個地球了”之類的妄語。因為報道時時通常會忽略得出這個結論的各種前提假設和過程手段（其實也不能怪，因為非專業的根本看不懂論文），數據處理和推理的每一個環節出點問題結論就會不同，所以在正式發表的科研論文中，論文作者都會使用indicate、suggest、perhaps、probably 等詞。
“如何探測系外行星上的液態水”這個問題稍顯專業，這也是問題提出三四個月來只有兩條回答的原因。在正式開始回答之前，我們先來聊聊現有的兩條回答。
第一條答案“扔石頭”
應該是出於玩笑。但在地球上確實是監測有沒有液體的，如果我們能在外星表面登陸，確實也可以這麼做。但問題來了：你怎麼知道濺起的液體是水呢？
第二條答案是“分析光譜”
就是像幾百年前牛頓做的那樣把從遙遠的星球（這裡是系外行星）傳播過來的光經過三稜鏡（或者光柵）變成“七彩祥雲”，想象“駕著七彩祥雲來娶你”，哦不，從七彩祥雲中看到水分子的（吸收或發射）特徵。但是“行星”之所以是“行星”，它們是不能發光的（其實也不是不發光，只要具有溫度，都會以黑體輻射的方式向外輻射能量），我們能看到太陽系內的行星主要是它們能夠反射照射到它們身上的光線（彗星、小行星等也是這樣）。
首先，就像你幾乎不可能發現在一隻直接對著你照射的探照燈旁邊飛行的一隻螢火蟲一樣，因為行星相比於它所繞轉恆星太過於暗淡，一般都會被恆星的光芒掩蓋，要直接看到系外行星幾乎是不可能的。目前僅有少數被直接成像（拍攝照片）的系外行星。一些特殊情況，現代望遠鏡可以直接得到系外行星的影象，比如行星體積特別大（明顯地大於木星），與恆星有一段較大距離（可以分開），以及行星較為年輕（溫度較高而放出強烈的紅外線，例如2M1207b）。並且還要藉助一定的手段，比如觀測時把中間的明亮的恆星給遮住（例如HD 106906 b、HR 8799 及其行星的觀測）。目前使用各種手段拍攝到影像的共計22顆系外行星（https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_directly_imaged_exoplanets#Exoplanets），這個數目和目前大幾千的已經確認的系外星或待確認候選者相比，微乎其微。
（2M1207（藍色）及其行星2M1207b（棕紅色） 圖片：wikipedia）
（HD 106906 b影像， 圖片：wikipedia）
（恆星HR 8799 （位於被遮住的中心）和環繞它的四顆行星， 圖片：wikipedia）
其次，就像上面所展示的三個示例，我們勉強拍到系外行星的影像非常微弱。要知道做光譜是把望遠鏡能夠收集到的光子按照光子能量大小（波長、頻率、能量其實是一回事，之間可以轉換）給排排坐，這麼暗的目標是不可能進行光譜觀測的。
最後，就算能得到光譜，看到了光譜上呈現水分子的（吸收或發射）特徵，但這是行星大氣中的“水分子”，而非行星表面液態的水。
好了，言歸正傳。但上面介紹的哪些也並非亂扯，它可以讓我們知道觀測系外行星是多麼難，以目前的觀測手段所獲得的系外行星的信息是多麼少。“液體水”實際上要遠遠超過目前的探測能力，所以現在對系外行星上發現液體水都是基於有限觀測信息後的大力推測。
“液態水”真相
搜索了一下推測可能有"液態水"的系外行星的發現論文和官方報道，從它們的標題“Water-Planets in the Habitable Zone: Atmospheric Chemistry, Observable Features, and the case of Kepler-62e and -62f”，“NASA telescope reveals largest batch of Earth-size, habitable-zone planets around single star”，“Wonderful potentially habitable worlds around TRAPPIST-1”“A super-Earth around a red star could be wet and wild”就會發現，這些行星都處於“宜居帶”，並且都是“岩石型行星（類地行星）”。岩石型行星說明它們和地球很像，而不是木星、土星那種氣態行星。宜居帶本身的定義就是因為和恆星恰當的距離使得行星有事宜的溫度，在星球的表面有液體水存在可能（不太離譜的大氣成份，空氣中有水分子，溫室效應不太嚴重）。是否有液態水完全是基於上述“宜居帶”和“岩石型行星”的合理推測而已。
（處於宜居帶的Kepler-62e 和Kepler-62f，圖片：wikipedia）
（TRAPPIST-1具有三顆可能有液體水的TRAPPIST-1e，TRAPPIST-1f，TRAPPIST-1g，圖片：wikipedia）
當然也不是純粹拍腦袋想出來的，有一定的數學模型和氣候模式的模擬。比如在“
科學家發現15顆系外行星，其中一顆表面或有液態水”，這篇新聞報道就明確提到了
在三維氣候模擬中對K2-155d進行了建模，結果發現這顆系外行星可能含有液態水。
氣候模式模擬（3D global climate simulations）的結果是什麼呢，就是下面這幅圖：
（K2-155d三維氣候模擬，圖片：Hirano et al. 2018, AJ, Volume 155, article id. 124）
那麼這個氣候模擬是咋回事呢？具體請查閱這篇論文
這是2017年發表在ApJS文章，有22頁長，我也僅僅是看了一個摘要。大致是這樣的：美國宇航局戈達德空間研究所（Goddard Institute for Space Studies，GISS）可發的名叫“地球和外星環境的軌道和氣候動力學模擬”的三維全球循環模型，可以建立太陽系和系外岩石型行星的大氣。新的模式能夠處理更寬泛的大氣條件，包括更高和更低的大氣壓力，更多樣化學組成和成分，更大更小的行星半徑和重力，不同的自轉速率，不同的海洋和陸地分佈和地形，以及潛在的基本生物圈功能等。
是不是聽著很牛但不知道在說什麼，有種不明覺厲的感覺。其實就是，通過凌日法、視向速度法等方法測出系外行星的軌道、質量、半徑大小，在加上繞轉恆星的類型和光度等信息放到這個模式裡，模式自動嘗試各種大氣成分、海洋構成等等這些東西就開始進行運算，科學家就端著咖啡玩吃雞。過了幾天（甚至幾個月），“叮咚”一聲運算結束，科學家一看分析數據：這個星球表面可能有液體水！
所以NASA開新聞發佈會時最後會說如下類似的話
儘管這一結論令人興奮，而且提供了一些可能性，但依然需持謹慎態度，需要進一步的分析才能確認這一發現。
嗯，應該估計就是這麼回事 ^_^
南極觀星人
通過分析光譜，不同的分子吸收不同波長的光。不同物質原子內部電子運動狀況不同，所以發射的光波也不同，不同波長的光經過色散實驗，出現不同的顏色，赤橙黃綠青藍紫，根據光譜分析，宇宙中到處的物質都差不多，都在元素週期表上。
