摘要：詹姆斯·韦伯太空望远镜正在改变我们对宇宙中水的理解。这台革命性设备首次在遥远的系外行星上探测到水蒸气的存在，这些被称为"蒸汽世界"的天体拥有与我们太阳系中任何行星都截然不同的特征。如今，科学家们开发出了新的理论模型来解读这些神秘世界的内部结构，这可能为寻找地外

信息来源：https://scitechdaily.com/jwst-detects-steam-on-distant-exoplanets-could-exotic-water-worlds-rewrite-the-search-for-life/

詹姆斯·韦伯太空望远镜正在改变我们对宇宙中水的理解。这台革命性设备首次在遥远的系外行星上探测到水蒸气的存在，这些被称为"蒸汽世界"的天体拥有与我们太阳系中任何行星都截然不同的特征。如今，科学家们开发出了新的理论模型来解读这些神秘世界的内部结构，这可能为寻找地外生命提供全新的思路。

亚海王星是银河系中最为普遍的行星类型，其质量和体积介于地球和海王星之间。与我们熟悉的岩石行星或气态巨行星不同，这些天体内部蕴含着大量的水，但由于极高的温度和压力，这些水以地球上前所未见的形态存在。它们既不是固体冰，也不是液态水，而是一种被科学家称为"超临界水"的奇异物质状态。

亚海王星或许并不适宜生命生存，正如我们所知，但它们奇特而富含水的内部蕴藏着行星形成的秘密。新的模型正在帮助科学家解读这些“蒸汽世界”，与此同时，望远镜也开始验证他们的预测。图片来源：SciTechDaily.com

加州大学圣克鲁兹分校的研究团队在最新发表于《天体物理学杂志》的研究中，构建了迄今为止最为精确的亚海王星内部模型。这项工作由博士后研究员阿尔特姆·阿吉钦领导，天体生物学项目负责人娜塔莉·巴塔利亚教授和天文学系主任乔纳森·福特尼教授参与合作完成。

超越传统模型的创新突破

传统上，科学家用于研究这类天体的模型主要基于对太阳系内冰卫星的观察，如木星的木卫二和土星的土卫二。这些冰卫星具有相对简单的层状结构：外层是冰壳，下方是液态水海洋。然而，亚海王星的情况要复杂得多。

"冰卫星是小型、凝聚的天体，而亚海王星则截然不同。它们的质量要大得多——是地球的10到100倍——而且轨道距离恒星更近"，阿吉钦解释说。这种根本性的差异意味着，亚海王星不会形成传统的冰壳和液态水海洋结构，而是发展出厚厚的蒸汽大气层和超临界水层。

超临界水是一种在极高温度和压力下形成的物质状态，其性质既不像气体也不像液体。在地球上，科学家只能在特殊的实验室条件下短暂地制造出这种状态，但在亚海王星内部，超临界水可能占据了行星的大部分体积。

更为奇特的是，在某些极端条件下，水甚至可能转变为"超离子冰"——这是一种水分子重新排列的状态，其中氢离子可以在氧原子构成的晶格中自由移动。这种物质状态的发现为我们理解行星内部的复杂物理过程开辟了全新的视野。

韦伯望远镜的验证与发现

詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测数据为这些理论模型提供了前所未有的验证机会。该望远镜已经成功探测到数颗亚海王星大气中的水蒸气信号，这是人类历史上首次直接观测到这类天体的大气成分。

天文学家预计，韦伯望远镜在未来几年内将观测到数十颗亚海王星，这使得精确的理论模型变得至关重要。这些模型不仅能帮助科学家解读望远镜观测到的光谱数据，还能推断出这些行星内部的物理条件和演化历史。

巴塔利亚教授强调了这项工作的重要性："行星内部是天然的'实验室'，可以用来研究地球上大学实验室难以复制的环境条件。我们所获得的知识可能带来意想不到的应用。从这个意义上讲，水世界尤其具有奇异性。"

研究团队开发的模型不仅考虑了行星的当前状态，还模拟了它们在数百万年至数十亿年时间尺度上的演化过程。这种时间维度的考量至关重要，因为行星的特性会随着时间发生显著变化，特别是在它们从炽热的形成初期逐渐冷却的过程中。

生命探索的新视角

虽然目前已知的大多数亚海王星由于温度过高而不适宜生命存在，但对这些"蒸汽世界"的深入研究可能为寻找地外生命提供重要线索。水作为宇宙中最丰富的分子之一，在行星系统形成过程中发挥着关键作用，理解其分布规律有助于科学家预测哪些区域更可能孕育生命。

阿吉钦指出了水的独特化学性质："它既是化学酸又是化学碱，参与化学平衡；它擅长溶解盐、糖和氨基酸；它产生氢键——使水具有更高的粘度、更高的沸点、更大的储热能力等等。生命可以被理解为复杂性，而水具有多种特性，使这种复杂性成为可能。"

这种对水的深层理解可能帮助科学家识别出那些虽然现在不适宜居住，但可能在演化过程中曾经或将来可能适宜生命存在的世界。一些研究表明，某些亚海王星在其演化的特定阶段，表面温度可能降低到允许液态水存在的范围。

未来观测计划与技术前景

这项研究的时机恰到好处，正值多个重要的太空观测项目即将展开。欧洲航天局计划发射的行星凌日和振荡（PLATO）望远镜将专门搜索位于恒星宜居带内的类地行星，这将为验证和改进当前模型提供宝贵数据。

"PLATO将能够告诉我们模型的精确度，以及我们需要在哪些方面进行改进"，阿吉钦说道。"所以，实际上，我们的模型目前正在为望远镜做出这些预测，同时也有助于规划寻找地外生命的下一步。"

除了即将到来的观测任务，这项研究还可能对其他科学领域产生影响。对极端条件下水的行为的理解，可能在材料科学、地球物理学甚至工业应用中找到新的用途。

当前的研究代表了天体生物学领域的一个重要转折点。通过首先理解宇宙中最常见的行星类型——亚海王星的形成和演化机制，科学家们希望能够更好地识别和研究那些真正可能孕育生命的罕见世界。

正如阿吉钦总结的那样："当我们了解了宇宙中最常见的行星是如何形成的，我们就可以把注意力转移到那些不太常见、实际上可能适宜居住的系外行星上。"这种系统性的方法可能最终引导我们找到地球之外的生命迹象，或者至少为我们指明寻找的正确方向。

随着韦伯望远镜继续其观测任务，以及新的理论模型不断完善，我们对这些神秘"蒸汽世界"的理解将不断深化。这些发现不仅拓展了我们对行星科学的认知边界，也为人类在宇宙中寻找生命伙伴的永恒quest增添了新的希望和方向。

来源：人工智能学家