為何大多數(shù)系外行星都是巖漿世界

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翻譯：王茸

校對(duì)：王婧彧 申振宇

審閱：繆征一

美編：徐玖坤

后臺(tái)：李子琦

藝術(shù)家對(duì)K2-18b的構(gòu)想圖，這顆系外行星正引發(fā)著液態(tài)海洋/巖漿世界的爭(zhēng)論。

圖像來源: ESA/Hubble, M. Kornmesser

在天文學(xué)中，存在一個(gè)名為“簡(jiǎn)并性”（degeneracy）的概念。這個(gè)英文單詞有墮落、腐化的含義。但在科學(xué)語境中，它與不法之徒無關(guān)，而是用來描述可作多重解釋的數(shù)據(jù)。在某些情況下，這種解釋會(huì)轉(zhuǎn)化為令人興奮的新假說。但多數(shù)時(shí)候，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，人們往往因更引人入勝的可能性帶來的關(guān)注度，而忽略了其他更平凡的解釋。近期發(fā)現(xiàn)的眾多“次海王星”系外行星似乎正面臨此類困境。某些理論將其描述為“海世界”（Hycean worlds）——即被水洋或冰層覆蓋的星球。但劍橋大學(xué)羅布·卡爾德(Robb Calder)及其合作者在arXiv預(yù)印本平臺(tái)發(fā)布的新論文指出，這些行星極可能幾乎全部由熔融巖漿構(gòu)成。

這場(chǎng)爭(zhēng)論很大程度上與圍繞這些行星發(fā)現(xiàn)的化學(xué)特征有關(guān)。最著名的例子或許是K2-18b行星——由于其大氣化學(xué)成分，該行星曾被推測(cè)為“海世界”（Hycean worlds）。在深入觀測(cè)研究中，科學(xué)家曾發(fā)現(xiàn)該行星大氣中含有甲烷和二氧化碳，但氨含量極低。根據(jù)該研究，這正是氫氣大氣層下存在液態(tài)水海洋的“確鑿證據(jù)”，因?yàn)樗畷?huì)自然溶解氨。

但還有另一種物質(zhì)同樣能有效溶解氨，那就是熔融巖漿。因此氨的缺失既可能是液態(tài)巖漿存在的跡象，也可能是液態(tài)水的證據(jù)。為驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，發(fā)布最新論文的研究人員嘗試模擬“氣態(tài)矮行星”的熱演化過程——這種替代性行星構(gòu)成同樣能完美契合關(guān)于“海世界”（Hycean worlds）的觀測(cè)數(shù)據(jù)。核心問題在于這些在太陽系中沒有對(duì)應(yīng)物的獨(dú)特系外行星是否在演化過程中維持了巖漿海洋，從而對(duì)其成熟階段的大氣產(chǎn)生了顯著影響。

簡(jiǎn)而言之，這個(gè)問題的答案是肯定的。迄今發(fā)現(xiàn)的幾乎所有次海王星系外行星在其生命周期中都可能保持著巖漿海洋。根據(jù)論文所述，其中98%的行星用巖漿世界而非海世界模型同樣能輕松解釋其特征。

為證明其觀點(diǎn)，作者們提出了一項(xiàng)名為“固化海岸線”(Solidification Shoreline)的指標(biāo)。該指標(biāo)將行星所環(huán)繞恒星的有效溫度與恒星的恒星輻射通量（即大氣層接收的能量總量）進(jìn)行映射。恒星輻射通量直接影響系外行星大氣溫度，而恒星有效溫度則是研究對(duì)象中多數(shù)恒星易于獲取的參數(shù)。更詳盡的解釋本應(yīng)包含大氣層質(zhì)量比例，即行星總質(zhì)量中大氣層所占比例，但許多行星缺乏該項(xiàng)數(shù)據(jù)。

“固化海岸線”(Solidification Shoreline)為判斷行星是否獲得足夠熱量來維持巖漿海洋提供了明確界限。若行星位于海岸線“上方”，則具備該條件；若位于下方，其地幔將隨時(shí)間推移逐漸冷卻，最終不再是熔巖世界。

為計(jì)算行星在該線上的位置，研究人員運(yùn)用了模擬行星內(nèi)部氣候的PROTEUS模型。他們發(fā)現(xiàn)，在建模的數(shù)千顆“次海王星“行星中（這是迄今發(fā)現(xiàn)最常見的外行星類型），98%位于海岸線之上，這意味著它們很可能是巖漿世界而非海洋世界。

盡管這可能令許多寄希望于從這些世界尋找生命跡象的行星生物學(xué)家失望，但它為我們理解行星形成的動(dòng)力學(xué)提供了有價(jià)值的模型。每顆系外行星的演化歷程都涉及復(fù)雜的相互作用力，但對(duì)于次海王星行星，由于我們只能遠(yuǎn)距離觀測(cè)，其演化機(jī)制尤為難以掌握。隨著技術(shù)進(jìn)步和對(duì)這些眾多系外行星數(shù)據(jù)的持續(xù)積累，或許終將找到解決其退化問題的終極方案。在此之前，或許我們不應(yīng)該對(duì)水世界抱有過多的期待。

https://www.universetoday.com/articles/why-most-exoplanets-are-magma-worlds

『天文濕刻』 牧夫出品

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圖中所示行星GJ 504b是一個(gè)質(zhì)量是木星四倍的巨型天體，圍繞著一顆距離我們57光年的恒星運(yùn)行。

圖像來源:NASA

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