zhengrong8247

有人提出这个问题，估计是看到了和这条相类似的新闻

每次这样的新闻出现都会广泛地在媒体上引起热潮，甚至部分媒体从人员直接报出“我们找到第二个地球了”之类的妄语。因为报道时时通常会忽略得出这个结论的各种前提假设和过程手段（其实也不能怪，因为非专业的根本看不懂论文），数据处理和推理的每一个环节出点问题结论就会不同，所以在正式发表的科研论文中，论文作者都会使用indicate、suggest、perhaps、probably 等词。

“如何探测系外行星上的液态水”这个问题稍显专业，这也是问题提出三四个月来只有两条回答的原因。在正式开始回答之前，我们先来聊聊现有的两条回答。

第一条答案“扔石头”

应该是出于玩笑。但在地球上确实是监测有没有液体的，如果我们能在外星表面登陆，确实也可以这么做。但问题来了：你怎么知道溅起的液体是水呢？

第二条答案是“分析光谱”

就是像几百年前牛顿做的那样把从遥远的星球（这里是系外行星）传播过来的光经过三棱镜（或者光栅）变成“七彩祥云”，想象“驾着七彩祥云来娶你”，哦不，从七彩祥云中看到水分子的（吸收或发射）特征。但是“行星”之所以是“行星”，它们是不能发光的（其实也不是不发光，只要具有温度，都会以黑体辐射的方式向外辐射能量），我们能看到太阳系内的行星主要是它们能够反射照射到它们身上的光线（彗星、小行星等也是这样）。

首先，就像你几乎不可能发现在一只直接对着你照射的探照灯旁边飞行的一只萤火虫一样，因为行星相比于它所绕转恒星太过于暗淡，一般都会被恒星的光芒掩盖，要直接看到系外行星几乎是不可能的。目前仅有少数被直接成像（拍摄照片）的系外行星。一些特殊情况，现代望远镜可以直接得到系外行星的影象，比如行星体积特别大（明显地大于木星），与恒星有一段较大距离（可以分开），以及行星较为年轻（温度较高而放出强烈的红外线，例如2M1207b）。并且还要借助一定的手段，比如观测时把中间的明亮的恒星给遮住（例如HD 106906 b、HR 8799 及其行星的观测）。目前使用各种手段拍摄到影像的共计22颗系外行星（https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_directly_imaged_exoplanets#Exoplanets），这个数目和目前大几千的已经确认的系外星或待确认候选者相比，微乎其微。

（2M1207（蓝色）及其行星2M1207b（棕红色） 图片：wikipedia）

（HD 106906 b影像， 图片：wikipedia）

（恒星HR 8799 （位于被遮住的中心）和环绕它的四颗行星， 图片：wikipedia）

其次，就像上面所展示的三个示例，我们勉强拍到系外行星的影像非常微弱。要知道做光谱是把望远镜能够收集到的光子按照光子能量大小（波长、频率、能量其实是一回事，之间可以转换）给排排坐，这么暗的目标是不可能进行光谱观测的。

最后，就算能得到光谱，看到了光谱上呈现水分子的（吸收或发射）特征，但这是行星大气中的“水分子”，而非行星表面液态的水。

好了，言归正传。但上面介绍的哪些也并非乱扯，它可以让我们知道观测系外行星是多么难，以目前的观测手段所获得的系外行星的信息是多么少。“液体水”实际上要远远超过目前的探测能力，所以现在对系外行星上发现液体水都是基于有限观测信息后的大力推测。

“液态水”真相

搜索了一下推测可能有"液态水"的系外行星的发现论文和官方报道，从它们的标题“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”就会发现，这些行星都处于“宜居带”，并且都是“岩石型行星（类地行星）”。岩石型行星说明它们和地球很像，而不是木星、土星那种气态行星。宜居带本身的定义就是因为和恒星恰当的距离使得行星有事宜的温度，在星球的表面有液体水存在可能（不太离谱的大气成份，空气中有水分子，温室效应不太严重）。是否有液态水完全是基于上述“宜居带”和“岩石型行星”的合理推测而已。

（处于宜居带的Kepler-62e 和Kepler-62f，图片：wikipedia）

（TRAPPIST-1具有三颗可能有液体水的TRAPPIST-1e，TRAPPIST-1f，TRAPPIST-1g，图片：wikipedia）

当然也不是纯粹拍脑袋想出来的，有一定的数学模型和气候模式的模拟。比如在“

科学家发现15颗系外行星，其中一颗表面或有液态水”，这篇新闻报道就明确提到了

气候模式模拟（3D global climate simulations）的结果是什么呢，就是下面这幅图：

（K2-155d三维气候模拟，图片：Hirano et al. 2018, AJ, Volume 155, article id. 124）

那么这个气候模拟是咋回事呢？具体请查阅这篇论文

这是2017年发表在ApJS文章，有22页长，我也仅仅是看了一个摘要。大致是这样的：美国宇航局戈达德空间研究所（Goddard Institute for Space Studies，GISS）可发的名叫“地球和外星环境的轨道和气候动力学模拟”的三维全球循环模型，可以建立太阳系和系外岩石型行星的大气。新的模式能够处理更宽泛的大气条件，包括更高和更低的大气压力，更多样化学组成和成分，更大更小的行星半径和重力，不同的自转速率，不同的海洋和陆地分布和地形，以及潜在的基本生物圈功能等。

是不是听着很牛但不知道在说什么，有种不明觉厉的感觉。其实就是，通过凌日法、视向速度法等方法测出系外行星的轨道、质量、半径大小，在加上绕转恒星的类型和光度等信息放到这个模式里，模式自动尝试各种大气成分、海洋构成等等这些东西就开始进行运算，科学家就端着咖啡玩吃鸡。过了几天（甚至几个月），“叮咚”一声运算结束，科学家一看分析数据：这个星球表面可能有液体水！

所以NASA开新闻发布会时最后会说如下类似的话

嗯，应该估计就是这么回事 ^_^

南极观星人

目前用来确认“类地球行星”的方法主要有吸收光谱法和地球化学法

吸收光谱法和地球化学法技术证明对检测大气中的水蒸气和冰有效。但是，利用现有的天文光谱学方法来探测“类地球行星”上的液态水还是存在一定难度，特别是检测地下水。因此，天文学家、天体生物学家和行星科学家们还利用可居住带、引力和潮汐理论、行星分化模型和辐射测量学等来检测确定地外液态水的可能性。以及从行星的火山活动中观察到的水活性，如河流特征和防冻剂（如盐或氨）的存在，可以为此提供更有说服力的间接证据。

地球表面71%被海水覆盖，是目前已知的唯一拥有稳定液态水的星球。液态水是地球上所有已知生命形式存在所不可缺少的。地球表面水的存在是其大气压力和太阳周围恒星宜居带的稳定轨道的产物，尽管地球上水的起源至今仍然是个未知数。

2013年，科学家利用富水环星盘法一个充满水的碎片盘位于GD 61周围，并伴有证实为岩石的物体，该物体由镁，硅，铁和氧组成。GD 61是一颗白矮星，其行星系统位于英仙座星座中，距地球150光年。

大多数已知的太阳系外行星系统似乎具有与太阳系非常不同的组成，尽管可能存在由探测方法引起的样本偏差。

目前的研究目标是在其行星系的宜居带（有时也被称为适居带）中找到地球大小的行星。有海洋的行星可能包括像地球一样大小的巨型行星的卫星，不过这种“卫星”是否真的存在还有待考证。开普勒望远镜可能足够灵敏，可以探测到它们。有人推测，在银河系中，有水存在的岩质行星可能很普遍。

检测“类地球行星”上的液态水指标其方法有以下几种：

• 光谱学

• 磁场
• 地质指标
• 火山观察
• 引力证据
• 地面穿透无线电
• 密度计算
• 放射性衰变模型
• 内部分化模型
• 宜居区
• 富水环星盘

科学家们利用这些方法，推断出液态水曾经覆盖了火星和金星的大片区域。水被认为以液体的形式存在于一些行星的表面之下，类似于地球上的地下水。水蒸气有时被认为是确认液态水存在的决定性证据，尽管许多液态水不存在的地方也可能发现大气中含有水蒸气。然而，类似的间接证据表明，太阳系其他地方的几个卫星和矮行星的表面下存在液体，根据推测认为，有些如同巨大的外星“海洋”。

尽管缺乏确凿的证据，但科学家们认为液态水在其他行星系统中也普遍存在，并且存在越来越多的太阳系外液态水候选名单（List of extrasolar candidates for liquid water）。

截至2015年12月，地球外部太阳系已确认的液态水是地球水量（13亿8600万立方公里）的25–50倍。

1、光谱学

由于液态水的氢键状态，它与水的其他状态相比具有独特的吸收光谱特征。吸收光谱话尽管已经证实了地外水蒸气和冰的存在，但是液态水的光谱特征在地球之外还有待证实。利用目前的技术，在广袤的太空中，通过厚厚的大气层可能无法探测到类地行星表面水的特征。

2、磁场

对于木星的卫星木卫三和木卫二来说，亚冰海洋的存在是从木星磁场的测量中推断出来的。由于导体在磁场中移动会产生反电动势场，所以根据月球从木星的南北半球经过时磁场的变化，可以推断出地表以下有水的存在。

3、地质指标

奥地利天体物理学家托马斯·戈尔德（Thomas Gold ）已经假定，许多太阳系的天体有可能在地表下储存了地下水。人们认为火星地下可能存在液态水。研究表明，过去火星表面有液态水流动，形成了类似于地球海洋的大面积区域。有许多直接或间接的证据证明水存在于地表或地表以下，例如河床、极冠、光谱测量、被侵蚀的陨石坑或与液态水存在直接相关的矿物质针铁矿。

4、火山观察

在土星的卫星土卫二和木星的卫星木卫二上都发现了间歇泉。这些物质含有水蒸气，可能提示地下深处有液态水，但它也可能只是冰。2014年4月3日，美国航空航天局报告称，卡西尼号宇宙飞船发现在土星的卫星土卫二上存在大量液态水的地下海洋的证据，不过还有待证实。

5、引力证据

科学家们达成的共识是，木卫二的表面下存在一层液态水，潮汐弯曲（也称为“潮汐加热”或“潮汐作用”）产生的热能使地下海洋保持液态。第一次发现地下海洋的迹象来自于潮汐加热的理论，这是木卫二稍微偏心的轨道和与其他伽利略卫星的轨道共振的结果。

6、地面穿透无线电

科学家利用无线电信号探测到液态水。卡西尼探测器的雷达探测和雷达测距仪器用来探测土星的卫星泰坦表面下是否存在液态水和氨，这与对月球密度的计算是一致的。探地雷达和Mars Express“火星快车”（欧洲航天局进行的太空探索任务）上的MARSIS仪器的介电常数数据表明，在火星南部平原地区有一个20公里宽的稳定的咸液态水。

7、密度计算

行星科学家可以使用密度计算来确定行星的组成及其存在液态水的潜力，虽然该方法的准确性不高，因为许多化合物和状态的组合可以产生相似的密度。高温和高压会形成异物，例如“热冰”或“超流水”。

8、放射性衰变模型

在较小的冰冻太阳系天体中，通过放射性衰变保持和加热的模型表明，土卫五、泰坦尼亚、奥伯龙、特里同、冥王星、厄里斯、塞德娜和奥库斯在大约100公里厚的固态冰壳下可能有海洋。

9、内部分化模型

太阳系天体的模型表明，在它们的内部分化中存在液态水。小行星带中最大的天体——矮行星谷神星的一些模型表明，它可能有一个潮湿的内层。通过表层冰的升华，矮行星探测到的水蒸气可能是指示剂。

10、宜居区

一颗行星的轨道位于恒星周围的宜居带，这是预测其表面存在地表水的可能性的一种常用方法。宜居带理论已经提出了几个可能存在液态水的太阳系外候选行星，尽管它们都是高度推测性的，因为一颗行星仅围绕一颗恒星的轨道并不能保证它一定有液态水。

除了它的轨道之外，一个行星质量的物体必须有足够的大气压力来支撑液态水，并在其表面或附近有足够的氢和氧。

11、富水环星盘

在海王星以外的彗星和矮行星上的小行星上发现水很久之前，太阳系的恒星盘（包括小行星带和柯伊伯带）被认为包含大量水，超出了雪线。这些被认为是地球上的水的起源。

2013年，一个充满水的碎片盘位于GD 61周围，并伴有证实为岩石的物体，该物体由镁，硅，铁和氧组成。GD 61是一颗白矮星，其行星系统位于英仙座星座中，距地球150光年。

血色黄昏的黄昏

太阳系以外的水行星可能比之前预计的还要普遍，它们占据了太阳系外行星总数的35%。一项新的研究指出，根据开普勒太空望远镜和盖亚任务的数据显示，水在许多行星的质量占比达到了一半。水是寻找地外生命的重要组成部分，它被认为是任何生物存在的基础。没有水就代表没有生命，所以想要找到可能存在生命体的系外行星则要先找到拥有水迹象或至少有液态水存在的合适条件的行星。

现在，由哈佛大学Li Zeng领导的一个国际研究小组发现，水世界在太阳系外的存在可能比以前认为的要普遍得多。研究发现，在4000多颗被证实或候选的系外行星中，有许多的半径是地球的1.5至2.5倍。然而，当他们试图模拟这些类地行星的内部结构时发现了一些有趣的东西。

Li指出，他们通过研究质量与半径的关系然后建立了一个能够解释该种关系的模型，模型显示，那些半径为地球1.5倍左右的系外行星往往都是岩石行星，而半径为地球2.5倍的则可能是水行星。

这种现象可以归结为约35%比地球大的系外行星都是水世界。然而这并不代表它们就跟地球一样，实际上它们许多就跟地狱一样，有着像高压锅一样的环境。Li称，这些行星的表面温度预计在200-500摄氏度之间，它们的表面可能被水蒸气主导的大气所笼罩，下面则有一层液态水。再往深处看，这些水在抵达固态岩石核心之前变成了高压冰。

“我们的数据显示，在所有已知比地球大的系外行星中，大约有35%应该富含有水。这些水世界类似于太阳系中的木星、土星、天王星、海王星的形成方式。在地面光谱追踪的帮助下，最新发射的TESS卫星将会发现更多这样的行星。下一代太空望远镜詹姆斯-韦伯太空望远镜将有希望带来关于这些行星的大气特征。对于那些对这些遥远世界感兴趣的人来说，这是一个激动人心的时刻。”

cnBeta

从你提的这个问题就能知道，你要么是个天文爱好者，要么就是乐于思考的人。

惭愧的是，在下对此方面知识实在浅薄，说浅薄都有点面红，实在说一点都不知道。

我概念里的液态水只涵盖日常饮用水、江湖海的水以及游泳馆里偶尔也会喝两口的水。

对于检测我所知道的这些液态水的方法，我有两个方法。方法一，看清澈度；方法二，亲自品尝。比如，游泳馆游泳池里的水，经我亲口监测味道就不咋样，消毒液味道太重。

我只能告诉你这么多了。。。。。

泰然格格

这个问题难度有点大，好像现在所知道的是在太阳系的行星中只有地球上有水分，何况系外行星更遥远，不知从事太空研究的专家怎么看？[害羞]

曾经心随风飞

这是一个比较深奥又具有想象的问题。我认为可以用纸巾看会不会沾湿😂😂

秋林q

这方面的知识真是外行又外行，难以回答。

姬付文

通过分析光谱，不同的分子吸收不同波长的光。不同物质原子内部电子运动状况不同，所以发射的光波也不同，不同波长的光经过色散实验，出现不同的颜色，赤橙黄绿青蓝紫，根据光谱分析，宇宙中到处的物质都差不多，都在元素周期表上。

冷藏幻想

问题的难度系数太深奥，我还需要学习

95后宝妈雪姐姐

不同的分子吸收不同波长的光，并且通过分析特定光谱，天文学家可以推断是否存在液态水。

關鍵字: 液态水 行星 开普勒