zhengrong8247

有人提出這個問題，估計是看到了和這條相類似的新聞

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

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

嗯，應該估計就是這麼回事 ^_^

南極觀星人

目前用來確認“類地球行星”的方法主要有吸收光譜法和地球化學法

吸收光譜法和地球化學法技術證明對檢測大氣中的水蒸氣和冰有效。但是，利用現有的天文光譜學方法來探測“類地球行星”上的液態水還是存在一定難度，特別是檢測地下水。因此，天文學家、天體生物學家和行星科學家們還利用可居住帶、引力和潮汐理論、行星分化模型和輻射測量學等來檢測確定地外液態水的可能性。以及從行星的火山活動中觀察到的水活性，如河流特徵和防凍劑（如鹽或氨）的存在，可以為此提供更有說服力的間接證據。

地球表面71%被海水覆蓋，是目前已知的唯一擁有穩定液態水的星球。液態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氣壓力和太陽周圍恆星宜居帶的穩定軌道的產物，儘管地球上水的起源至今仍然是個未知數。

2013年，科學家利用富水環星盤法一個充滿水的碎片盤位於GD 61周圍，並伴有證實為岩石的物體，該物體由鎂，硅，鐵和氧組成。GD 61是一顆白矮星，其行星系統位於英仙座星座中，距地球150光年。

大多數已知的太陽系外行星系統似乎具有與太陽系非常不同的組成，儘管可能存在由探測方法引起的樣本偏差。

目前的研究目標是在其行星系的宜居帶（有時也被稱為適居帶）中找到地球大小的行星。有海洋的行星可能包括像地球一樣大小的巨型行星的衛星，不過這種“衛星”是否真的存在還有待考證。開普勒望遠鏡可能足夠靈敏，可以探測到它們。有人推測，在銀河系中，有水存在的巖質行星可能很普遍。

檢測“類地球行星”上的液態水指標其方法有以下幾種：

• 光譜學

• 磁場
• 地質指標
• 火山觀察
• 引力證據
• 地面穿透無線電
• 密度計算
• 放射性衰變模型
• 內部分化模型
• 宜居區
• 富水環星盤

科學家們利用這些方法，推斷出液態水曾經覆蓋了火星和金星的大片區域。水被認為以液體的形式存在於一些行星的表面之下，類似於地球上的地下水。水蒸氣有時被認為是確認液態水存在的決定性證據，儘管許多液態水不存在的地方也可能發現大氣中含有水蒸氣。然而，類似的間接證據表明，太陽系其他地方的幾個衛星和矮行星的表面下存在液體，根據推測認為，有些如同巨大的外星“海洋”。

儘管缺乏確鑿的證據，但科學家們認為液態水在其他行星系統中也普遍存在，並且存在越來越多的太陽系外液態水候選名單（List of extrasolar candidates for liquid water）。

截至2015年12月，地球外部太陽系已確認的液態水是地球水量（13億8600萬立方公里）的25–50倍。

1、光譜學

由於液態水的氫鍵狀態，它與水的其他狀態相比具有獨特的吸收光譜特徵。吸收光譜話儘管已經證實了地外水蒸氣和冰的存在，但是液態水的光譜特徵在地球之外還有待證實。利用目前的技術，在廣袤的太空中，通過厚厚的大氣層可能無法探測到類地行星表面水的特徵。

2、磁場

對於木星的衛星木衛三和木衛二來說，亞冰海洋的存在是從木星磁場的測量中推斷出來的。由於導體在磁場中移動會產生反電動勢場，所以根據月球從木星的南北半球經過時磁場的變化，可以推斷出地表以下有水的存在。

3、地質指標

奧地利天體物理學家托馬斯·戈爾德（Thomas Gold ）已經假定，許多太陽系的天體有可能在地表下儲存了地下水。人們認為火星地下可能存在液態水。研究表明，過去火星表面有液態水流動，形成了類似於地球海洋的大面積區域。有許多直接或間接的證據證明水存在於地表或地表以下，例如河床、極冠、光譜測量、被侵蝕的隕石坑或與液態水存在直接相關的礦物質針鐵礦。

4、火山觀察

在土星的衛星土衛二和木星的衛星木衛二上都發現了間歇泉。這些物質含有水蒸氣，可能提示地下深處有液態水，但它也可能只是冰。2014年4月3日，美國航空航天局報告稱，卡西尼號宇宙飛船發現在土星的衛星土衛二上存在大量液態水的地下海洋的證據，不過還有待證實。

5、引力證據

科學家們達成的共識是，木衛二的表面下存在一層液態水，潮汐彎曲（也稱為“潮汐加熱”或“潮汐作用”）產生的熱能使地下海洋保持液態。第一次發現地下海洋的跡象來自於潮汐加熱的理論，這是木衛二稍微偏心的軌道和與其他伽利略衛星的軌道共振的結果。

6、地面穿透無線電

科學家利用無線電信號探測到液態水。卡西尼探測器的雷達探測和雷達測距儀器用來探測土星的衛星泰坦表面下是否存在液態水和氨，這與對月球密度的計算是一致的。探地雷達和Mars Express“火星快車”（歐洲航天局進行的太空探索任務）上的MARSIS儀器的介電常數數據表明，在火星南部平原地區有一個20公里寬的穩定的鹹液態水。

7、密度計算

行星科學家可以使用密度計算來確定行星的組成及其存在液態水的潛力，雖然該方法的準確性不高，因為許多化合物和狀態的組合可以產生相似的密度。高溫和高壓會形成異物，例如“熱冰”或“超流水”。

8、放射性衰變模型

在較小的冰凍太陽系天體中，通過放射性衰變保持和加熱的模型表明，土衛五、泰坦尼亞、奧伯龍、特里同、冥王星、厄里斯、塞德娜和奧庫斯在大約100公里厚的固態冰殼下可能有海洋。

9、內部分化模型

太陽系天體的模型表明，在它們的內部分化中存在液態水。小行星帶中最大的天體——矮行星穀神星的一些模型表明，它可能有一個潮溼的內層。通過表層冰的昇華，矮行星探測到的水蒸氣可能是指示劑。

10、宜居區

一顆行星的軌道位於恆星周圍的宜居帶，這是預測其表面存在地表水的可能性的一種常用方法。宜居帶理論已經提出了幾個可能存在液態水的太陽系外候選行星，儘管它們都是高度推測性的，因為一顆行星僅圍繞一顆恆星的軌道並不能保證它一定有液態水。

除了它的軌道之外，一個行星質量的物體必須有足夠的大氣壓力來支撐液態水，並在其表面或附近有足夠的氫和氧。

11、富水環星盤

在海王星以外的彗星和矮行星上的小行星上發現水很久之前，太陽系的恆星盤（包括小行星帶和柯伊伯帶）被認為包含大量水，超出了雪線。這些被認為是地球上的水的起源。

2013年，一個充滿水的碎片盤位於GD 61周圍，並伴有證實為岩石的物體，該物體由鎂，硅，鐵和氧組成。GD 61是一顆白矮星，其行星系統位於英仙座星座中，距地球150光年。

血色黃昏的黃昏

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

從你提的這個問題就能知道，你要麼是個天文愛好者，要麼就是樂於思考的人。

慚愧的是，在下對此方面知識實在淺薄，說淺薄都有點面紅，實在說一點都不知道。

我概念裡的液態水只涵蓋日常飲用水、江湖海的水以及游泳館裡偶爾也會喝兩口的水。

對於檢測我所知道的這些液態水的方法，我有兩個方法。方法一，看清澈度；方法二，親自品嚐。比如，游泳館游泳池裡的水，經我親口監測味道就不咋樣，消毒液味道太重。

我只能告訴你這麼多了。。。。。

泰然格格

這個問題難度有點大，好像現在所知道的是在太陽系的行星中只有地球上有水分，何況系外行星更遙遠，不知從事太空研究的專家怎麼看？[害羞]

曾經心隨風飛

這是一個比較深奧又具有想象的問題。我認為可以用紙巾看會不會沾溼😂😂

秋林q

這方面的知識真是外行又外行，難以回答。

姬付文

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。

冷藏幻想

問題的難度係數太深奧，我還需要學習

95後寶媽雪姐姐

不同的分子吸收不同波長的光，並且通過分析特定光譜，天文學家可以推斷是否存在液態水。

關鍵字: 科學 液態水 行星