首頁發布時間: 2026-11-05
作者：蔡尚旻助研究員（本院天文及天文物理研究所）
我小時候沒有喜歡看星空，但是著迷於推理小說。很幸運能把解謎當成工作，用數值模型和光譜資料研究行星大氣。
我在臺灣長大，於國立臺灣大學取得物理學學士學位。2014至2018年在瑞士伯恩大學跟隨Kevin Heng教授攻讀博士，期間，我開發了一個大氣模型來模擬大氣的成分。2018 至 2022 年間，在牛津大學擔任博士後研究員，與Ray Pierrehumbert教授共同研究大氣對流和動態的影響。2022年末，搬到陽光明媚的加州，在加大河濱分校與 Edward Schwieterman教授合作，以博士後研究員身分研究系外行星的宜居性和生物特徵。
不忙著解讀外星天空時，我喜歡玩桌遊和品嘗葡萄酒。
想像一下在遙遠的外星大氣，如果發現在地球上主要由微生物產生的分子，這代表我們「找到外星生命」了嗎？2025 年，系外行星 K2-18 b 讓這個問題成為國際焦點：劍橋大學的研究團隊宣布，觀測資料中，找到了一種帶硫的分子， 在地球上，幾乎都來自海裡的浮游生物。該研究團隊認為，K2-18 b可能表面覆蓋著溫暖的全球海洋，頭頂是富含氫氣的大氣。在那樣的海洋裡，或許正有微生物旺盛活動著。消息傳開，「外星生命」登上了全球新聞。但幾個月內，其他團隊重新分析同一批資料，發現訊號的可信度存疑。
爭論還沒落幕，另一個更根本的問題也被天文學家重新檢視：K2-18 b的表面，真的是海洋嗎？
如何看見「看不見」的行星
系外行星的探索，直到1990年代才揭開序幕，主要難關是行星遠比母恆星暗淡，天文學家需要透過觀察恆星受行星的微小影響來發現系外行星。首先被應用的方法，是透過觀測恆星的徑向速度：行星的引力會拉動恆星，使恆星光譜線產生週期性的都卜勒位移。第二種是凌星法（可參考本所YouTube頻道的「凌星觀測法」）：當行星從恆星前方經過，便會擋住少許星光。前者可提供質量資訊，後者有助於測出行星大小，兩者搭配便能推估平均密度。
2009年發射的克卜勒太空望遠鏡，曾在長達九年的任務中觀察超過十五萬顆恆星——就在夏夜抬頭可見的夏季大三角天區；2018 年發射的 TESS 太空望遠鏡則持續擴大搜尋，迄今合計已確認超過六千個系外行星。大量的觀測結果逐漸顛覆我們對行星家族的想像：太陽系並不是所有行星系統的標準樣板。許多常見的行星類型，反而是我們居住的太陽系沒有的。
最令人驚訝的不只是克卜勒發現了行星，而是它揭露的：比地球大、但比海王星小的世界，稱為次海王星（Sub-Neptune）或迷你海王星（Mini-Neptune），而這類行星在我們的太陽系中完全不存在。因為缺少太陽系的類比，多年來，這些中等大小的世界一直充滿謎團。它們是像放大版的岩石行星？還是縮小版的海王星？還是有著新的構造？
行星大小的分界與演化之謎
最近幾年，透過凱克（Keck）望遠鏡仔細地校正行星的母恆星，天文學家得以更準確地推估這些克卜勒行星的大小分佈。若將各種小型系外行星依半徑排列，我們意外發現數量並非一路平順變化。以圍繞類太陽恆星運行的行星為例，半徑約落在地球的1.5至2倍附近時，行星出現的比例相對偏低。這片彷彿被挖出凹槽的區域，便被稱為「半徑山谷」（radius valley），也叫「半徑缺口」（radius gap）。它將行星分成兩個族群：一側是體積較小、平均密度較接近岩石的「超級地球」（Super-Earth）；另一側則是半徑更大、整體密度較低的次海王星。這張統計圖就好比一張行星成長紀錄：為何兩邊形成了明顯族群，中間反而相對稀少？若能解開原因，就有機會理解不同大小的行星如何誕生與演變。
超級地球的密度與岩石相近；而次海王星的密度較低，必須含有一定比例的氣體，或含足夠的低密度物質，才能解釋其觀測的大小和質量。目前最廣為接受而且最單純的解釋與「大氣流失」有關：年輕恆星釋出的高能紫外線及 X 射線，可能逐步吹散較小行星原有的氫氣外層；質量較大、重力束縛較強的行星，則比較可能保住氣體。因此，半徑看似差不多的核心，最終可能在統計圖上分居兩側。這並非唯一的形成機制，但說明大氣對行星外觀有多大的影響。即使氣體只占行星總質量約百分之一，也足以讓行星半徑明顯增加，某些模型甚至可讓其半徑膨脹至接近原本的兩倍，此時大氣是相對最穩定的狀態。這個約1%的氣體含量，正好與目前觀測到的次海王星性質相符。
測得半徑與質量，仍不表示已經看透行星內部。試想一顆質量為地球八倍、半徑約為地球 2.5 倍的行星：換算後，其平均密度只有地球的大約一半。這組數字能指出它不像單純的巨大岩石球，卻無法告訴我們低密度物質究竟是什麼。其中一種情境是「氣態矮星」：中心以岩石為主，外面覆蓋相當厚的氫氣或其他低密度氣體。另一種情境則是「水世界」：岩石之外含有大量水，水可能以冰、高壓狀態或其他相態分布。若行星最初在原行星盤中較寒冷的「雪線」之外形成，累積了豐富冰物質，之後再遷移到靠近恆星的軌道，便可能留下這種組成。
由此可見，平均密度只是判讀行星性質的第一把尺。即使兩顆行星的質量與半徑幾乎相同，一顆可能有深厚氣體外殼，另一顆的內部卻可能富含水。有趣的是，在紅矮星（M 型恆星）周圍，研究發現小型行星的分佈更像是依「密度」而非「半徑」分群：除了岩石行星與富含氣體的行星外，還有一群密度約為岩石一半的行星，與水世界的預測相符。如果適居帶內的次海王星同時擁有水與氫氣，就可能形成一種假想的「海洋型行星」（Hycean，取自 hydrogen 與 ocean）：厚重的氫氣大氣下方覆蓋著全球性的液態海洋。這類行星比岩石行星大，大氣也更蓬鬆，更容易以凌星觀測，因此被視為尋找生命跡象的一條「捷徑」。
這個想法之所以受到關注，是因為它擴大了搜尋生命的想像空間。地球生命與液態水密不可分；若遙遠的海洋不必出現在與地球完全相同的岩石表面環境，可能值得探索的目標便不只「第二個地球」。此外，次海王星通常具有較大的半徑與較厚的大氣，凌星時可能留下較容易測量的訊號。然而，較容易觀測不代表較容易居住；厚重氣體下的壓力、溫度及水是否真的存在，都是尚待回答的問題。
韋伯望遠鏡，讓星光變成大氣的線索
韋伯太空望遠鏡（JWST）自2022年展開科學觀測以來，大幅提升了我們探測系外行星大氣的能力。凌星時，當星光穿過行星的大氣，不同分子在特定波長吸收光線，留下如指紋般的光譜特徵。水、甲烷與二氧化碳等分子在紅外線波段都有強烈的吸收，也是我們熟悉的溫室氣體。JWST的紅外線觀測能力，讓這些大氣中的分子指紋變得更加清晰。
以氣態巨行星WASP-39 b為例，JWST取得了涵蓋多個紅外線波段的透射光譜，不僅辨識出水與二氧化碳，也偵測到二氧化硫（SO₂）。光化學模型顯示，恆星紫外線驅動的化學反應，能最直接解釋觀測到的二氧化硫含量，提供了系外行星大氣中首個明確的光化學產物證據。就像地球的臭氧是由氧氣經紫外線轉化而來。換句話說，行星光譜不僅揭露大氣有什麼，也記錄了其中正在發生什麼。
JWST的靈敏度也讓大氣研究進一步延伸至體積較小的次海王星。其中一個引人注目的目標就是本文開頭說的K2-18 b，一顆位於母恆星適居帶內的行星。JWST在其大氣中偵測到甲烷（CH₄）與二氧化碳（CO₂），首次在適居帶內的系外行星大氣中辨識出這兩種含碳分子。然而，同樣的觀測可以有截然不同的解讀。如果 K2-18 b 是一顆海洋型行星，甲烷會被紫外線逐漸分解，需要持續補充。反之，如果 K2-18 b是一顆富含氣體的次海王星，深處高溫高壓的大氣本身就能產生觀測到的甲烷與二氧化碳，不需要生物的補充。
在地球上，二甲基硫主要來自海洋中的浮游植物：它們製造一種稱為 DMSP 的含硫化合物，經分解後釋放出 DMS。DMS 進入大氣後很快就被氧化，壽命只有約一天。筆者近期的模型研究顯示，即使在缺乏氧化劑的氫氣大氣中，紫外線仍會迅速分解 DMS；要累積到可偵測的濃度，生物的產量需要達到現今地球的約 20 倍。正因為它來源單一、又難以累積，一旦被確認，就會是相當有力的生命跡象。
在 2025 年 4 月，由劍橋大學 Nikku Madhusudhan領導的研究團隊，在K2-18 b 的大氣中發現了二甲基硫（DMS）及其相關分子二甲基二硫（DMDS），而這類分子在地球上幾乎只由海洋微生物產生。然而就像Carl Sagan的名言，非凡的主張需要非凡的證據。多個獨立團隊重新分析相同的 JWST 資料後認為，DMS 訊號在統計上並不顯著。針對單次中紅外儀器（MIRI）的資料分析，目前學界仍存在分歧，例如認為訊號有可能來自其他碳氫化合物而非二甲基硫，這都需要後續更多觀測和理論以釐清爭議。
下一步：從「有什麼」走向「為什麼」
所謂適居帶，是指恆星周圍、溫度剛好能讓液態水存在於行星表面的區域，容易讓我們聯想到藍色海洋與適合呼吸的空氣。但位於適居帶並不代表行星一定適合生命，還取決於行星的表面溫度、大氣成分、板塊運動與磁場，以及恆星本身的活動與演化。同樣地，任何單一分子都難以單獨作為生命的證據，必須結合多種氣體與行星環境，並排除非生物來源的可能。與其把光譜當成生命的判決書，不如把它看成一份需要持續核對的線索清單。JWST 的任務才剛開始；K2-18 b 的 DMS 爭議，也讓我們看到科學如何在質疑與檢驗中前進。
目前的觀測仍無法直接搜尋氧氣相關的生物跡象，但 JWST 已經開啟了在厭氧環境下尋找生物跡象的討論。即將啟用的歐洲極大望遠鏡（Extremely Large Telescope，簡稱ELT），將從地面以高解析度解析次海王星大氣中的有機分子譜線，有望區分 JWST 尚無法分辨的碳氫化合物訊號。在理論方面，研究人員也迫切需要更完善的分子光譜資料，以便與觀測結果進行比較。
三十多年前，人類首次發現一顆繞著其他恆星運行的行星。如今，科學家已能透過微弱星光，追問那些世界的大氣、內部組成，甚至是否可能有海洋。宇宙中充滿了次海王星，其中是否有些具備適居條件，是我們首先需要回答的問題。至於是否有生命跡象，或許在我們有生之年就能得到答案，但這將是一個需要謹慎判讀且充滿辯論的過程。
