2015年，开普勒太空望远镜在狮子座的红矮星（距离地球约100光年）附近发现了一颗奇怪的行星。这颗行星被命名为K2-18b，其质量约为地球的八倍，半径是地球的两倍，属于天文学家所称的“迷你海王星”。它仅用33天就绕其母星运行一周，这意味着它正好位于宜居带内，即恒星周围可以存在液态水的区域。
要确定这颗行星的确切条件是不可能的。但天文学家可以确定哪些是可能的，哪些是不可能的。那时他们才意识到K2-18b远非普通行星。
在此之前，天文学家认为所有行星都属于气态巨行星（如木星、土星和海王星）或岩石行星（如地球、火星和金星）的范畴。但K2-18b提供了另一种可能性——它可能完全被数千公里深的海洋覆盖。
水世界
天文学家很快意识到，这种水世界代表了一种全新的行星类型，在我们太阳系中不存在，但在其他太阳系中可能很常见。他们称之为“Hycean世界”，并开始寻找更多，首先是关于K2-18b的详细信息。
现在，英国剑桥大学的Frances Rigby和Nikku Madhusudhan已经确定了Hycean世界在宜居带内可能存在的条件的极限。这些宜居的海洋世界被发现比最初设想的要奇特得多。“这些行星极大地拓宽了宜居条件可能存在的行星属性范围，”他们说。
Rigby和Madhusudhan的研究重点是五颗由太空望远镜发现、有潜力成为Hycean世界的系外行星，其中包括K2-18b。他们模拟了海洋的深度和温度、海洋上方大气质量的比例以及内部组成。
事实证明，这些行星上的海洋将远超人类所熟悉的海水深度。在地球上，海洋的平均深度约为三公里，最大深度为11公里。
相比之下，Hycean世界可能拥有深达1000公里的海洋。Rigby和Madhusudhan表示，海洋的深度最终取决于行星的引力和温度，因为在足够高的压力下，水会形成各种奇异的冰。这限制了它们的深度。
“海洋深度取决于地表引力和温度，在Hycean条件下，范围从几十公里到约1000公里不等，之后会转变为高压冰，”他们说。
但只有在尺寸更接近地球的小型水世界中，海洋才可能达到数千公里的深度。与直觉相反，更大的行星，引力更强的行星，其海洋反而会更浅。
这种高压冰也对海洋的宜居性提出了有趣的限制。地球上的生命需要丰富的营养物质，这些营养物质由碳、氧、氢、氮、磷和硫组成。这些元素最终来自岩石与海洋底部的水接触而风化形成的。
高压冰
但如果Hycean世界的海底是冰构成的，那么营养物质从岩石内部流出的方式将受到重要限制。研究人员说：“Hycean世界厚厚的高压冰地幔将阻碍下方岩石核心的风化，这需要替代方法来为海洋提供营养。”
但营养物质也可以通过其他方式进入。小行星和彗星的撞击可能是一个重要的来源，大气层也是一个来源，甚至可能存在一些复杂的营养物质通过冰层从下方的岩石核心传输的过程。显然，这方面还需要更多的研究和数据。
得益于詹姆斯·韦伯太空望远镜等新一代天文观测设备，天文学家们很可能很快就能获得这些数据。Madhusudhan已经分析了对原始Hycean世界K2-18b的新的JWST观测结果，显示其大气层同时含有二氧化碳和甲烷。
但更重要的是什么不存在。研究人员指出，氨（一种极易溶于水的气体）的缺失与地表海洋的存在是一致的。这不是证据，但具有启发性。
更多的观测肯定有助于进一步表征Hycean世界。Rigby和Madhusudhan乐观地认为，他们的工作仅仅是一个垫脚石：“这些结果突显了这些行星之间可能存在的不同条件，并证明了它们在与地球截然不同的环境下拥有宜居条件的潜力。”
参考：关于Hycean世界海洋条件的论文：arxiv.org/abs/2402.12330
