新研究发现行星巨大的水资源储量超出预期

含有水的岩浆海洋行星--就像这幅艺术家概念图中的类地系外行星GJ 1214 b--只会在其表面承载极小一部分的水。大部分水都储存在内部深处。图片来源：Artwork：NASA， ESA， and G. Bacon (STScI); Science：美国国家航空航天局、欧洲航天局、L. Kreidberg 和 J. Bean（芝加哥大学），以及 H. Knutson（加州理工学院）

目前已知的大多数系外行星都位于恒星附近。这意味着它们主要是由熔融岩浆海洋组成的热世界，这些岩浆海洋尚未冷却到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的溶解度非常高--这与二氧化碳等物质不同，后者很快就会冒气并上升到大气中。

铁核位于硅酸盐熔融地幔之下。那么，水是如何在硅酸盐和铁之间分布的呢？这正是多恩与普林斯顿大学的罗海阳和邓杰合作，在基于基本物理定律的模型计算的帮助下所研究的问题。研究人员在《自然-天文学》杂志上发表了他们的研究成果。

为了解释这些结果，多恩不得不详加说明："铁核的形成需要时间。大部分的铁最初是以液滴的形式存在于炙热的岩浆汤中。封闭在岩浆汤中的水与这些铁滴结合在一起，并随它们一起沉入地核。铁滴的行为就像被水向下输送的升降机。"

到目前为止，人们只知道地球上也有这种中等压力的情况。至于内部压力较高的较大行星会发生什么情况，人们还不得而知。多恩说："这是我们研究的关键结果之一。行星越大，质量越大，水就越倾向于与铁滴一起进入内核。在某些情况下，铁吸收的水比硅酸盐多 70 倍。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。"

这项研究是由对地球含水量的调查引发的，四年前的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含水量的一小部分。地球上 80 多个海洋的含水量可能隐藏在地球内部。通过模拟计算水在地球年轻时的那种条件下的行为，可以证明这一点。实验和地震测量结果也相应吻合。

关于行星中水的分布的新发现对天文观测数据的解释产生了巨大的影响。天文学家利用他们在太空和地球上的望远镜，可以在一定条件下测量系外行星的重量和大小。他们利用这些计算结果绘制出质量半径图，从而得出关于行星组成的结论。如果在这样做的时候--就像迄今为止的情况那样--忽略了水的溶解性和分布，那么水的体积就会被大大低估，最多可低估十倍。行星的水量要比之前假设的丰富得多。

如果我们想了解行星是如何形成和发展的，那么水的分布也很重要。沉入地核的水永远被困在那里。然而，溶解在地幔岩浆海洋中的水可以在地幔冷却过程中脱气并上升到地表。多恩解释说："因此，如果我们在行星的大气层中发现了水，那么其内部可能还有大量的水。"

这正是美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）两年来从太空向地球发送数据的目的。它能够追踪系外行星大气层中的分子。科学家解释说："只有系外行星上层大气的成分可以直接测量。研究小组希望将大气层与天体内部深处联系起来"。

"名为 TOI-270d 的系外行星的新数据尤其令人感兴趣。"多恩说："在那里收集到的证据表明，其内部的岩浆海洋与大气之间确实存在这种相互作用。她希望更仔细研究的有趣天体还包括 K2-18b 行星，这颗行星因为可能存在生命而成为头条新闻。"

水是生命发展的先决条件之一。长期以来，人们一直在猜测水量丰富的超级地球的潜在宜居性，即质量比地球大数倍、表面被深邃的全球海洋覆盖的行星。随后的计算表明，过多的水可能不利于生命。当时的论点是，在这些水世界中，一层奇特的高压冰会阻碍海洋和行星地幔界面上重要物质的交换。

新的研究现在得出了一个不同的结论：具有深水层的行星很可能是一种罕见的现象，因为超级地球上的大部分水并不像迄今为止人们所假设的那样位于表面，而是被困在内核中。这使得科学家们认为，即使是含水量相对较高的行星，也有可能发展出类似地球的宜居条件。正如多恩和她的同事们总结的那样，他们的研究为可能存在支持生命的富水世界带来了新的曙光。

编译自/ScitechDaily