系外行星可能含有比以前认为的更多的水

我们知道地球有一个铁核，其周围是一层由硅酸盐基岩组成的地幔，地表上有水(海洋)。直到今天，科学界仍使用这种简单的行星模型来研究系外行星——围绕太阳系外另一颗恒星运行的行星。

苏黎世联邦理工学院系外行星教授卡罗琳·多恩说：“直到最近几年，我们才开始意识到行星比我们想象的要复杂得多。”

目前已知的大多数系外行星都位于恒星附近。这意味着它们主要由炽热的熔岩海洋世界组成，这些海洋尚未冷却形成像地球一样的硅酸盐基岩固体地幔。水在这些岩浆海洋中溶解得很好，不像二氧化碳那样，二氧化碳会迅速释放气体并上升到大气中。

铁核位于熔融的硅酸盐地幔之下。那么水在硅酸盐和铁之间是如何分布的呢?

这正是 Dorn 与普林斯顿大学的罗海洋和邓杰合作研究的内容，他们借助基于基本物理定律的模型计算进行了研究。研究人员在《自然天文学》杂志上发表了他们的研究成果。

含有水和铁的岩浆汤

为了解释结果，多恩必须详细说明：“铁核的形成需要时间。大部分铁最初以液滴的形式存在于炽热的岩浆汤中。” 隔离在这种汤中的水与这些铁液滴结合，并随它们一起沉入地核。“铁液滴就像被水向下传递的升力，”多恩解释道。

到目前为止，人们只知道这种现象只发生在与地球相同的中等压力下。尚不清楚在内部压力更高的较大行星上会发生什么情况。

“这是我们研究的关键结果之一，”多恩说。“行星越大，质量越大，水就越容易随铁滴一起进入地核。在某些情况下，铁可以吸收比硅酸盐多 70 倍的水。然而，由于地核的巨大压力，水不再以 H2O 分子的形式存在，而是以氢和氧的形式存在。”

地球内部也存在大量的水

这项研究的起因是四年前对地球水含量的调查，该调查得出了一个令人惊讶的结果：地球表面的海洋只含有地球总水量的一小部分。地球 80 多个海洋的成分可能隐藏在其内部。通过模拟计算地球年轻时水的行为，可以证明这一点。因此，实验和测量是兼容的。

有关行星上水分布的新发现对天文观测数据的解释具有重大影响。利用太空和地球上的望远镜，天文学家可以在特定条件下测量系外行星的重量和大小。他们利用这些计算绘制质量半径图，从而得出有关行星组成的结论。如果在这样做时(迄今为止一直如此)忽略水的溶解度和分布，水的体积可能会被大大低估，最多可低估十倍。

多恩说：“行星上的水资源比我们之前认为的要丰富得多。”

了解进化历史

如果我们想了解行星的形成和发展，水的分布也很重要。沉入地核的水将永远被困在那里。然而，在地幔冷却过程中，溶解在地幔岩浆海中的水可能会失去气体并上升到地表。

“因此，如果我们在一颗行星的大气层中发现水，那么它的内部很可能还存在更多的水，”多恩解释道。

这正是詹姆斯·韦伯太空望远镜两年来一直在从太空向地球发送数据所要寻找的东西。它能够追踪系外行星大气中的分子。

“只有系外行星上层大气的成分才能直接测量，”这位科学家解释道。“我们的团队希望建立从大气到天体内部深处的联系。”

这颗名为TOI-270d的系外行星的新数据尤其有趣。

多恩参与了 TOI-270d 的相应出版物，他说：“那里已经收集到了证据，证明其内部的岩浆海与大气之间存在这种相互作用。”她希望更仔细研究的有趣物体名单中还包括行星 K2-18b，该行星因其上可能存在生命而成为头条新闻。

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