行星上的水可以自然生成？

水的充盈對地球上生命的誕生至關(guān)重要，也被視為行星宜居性的核心條件之一。一直以來，一個(gè)令眾多科學(xué)家為止好奇的關(guān)鍵謎題是：巖質(zhì)行星（如地球）是如何獲得大量水的？

現(xiàn)在，一項(xiàng)新發(fā)表在《自然》雜志上的研究發(fā)現(xiàn)，在我們的銀河系中，一類常見行星的早期階段，可能會因?yàn)?strong>巖漿“海洋”與原始大氣之間的相互作用而富含液態(tài)水。

行星上的水源模型

在銀河系已發(fā)現(xiàn)的6000多顆系外行星中，所謂“亞海王星”是最常見的類型。

亞海王星的半徑比海王星小、比地球大。它們距離其宿主星的距離，往往比太陽系中水星（距離太陽最近的行星）與太陽的距離還要更近。亞海王星通常被認(rèn)為由三層結(jié)構(gòu)組成：中心是鐵合金核心，其外部包裹著一層硅酸鹽（含有硅和氧的物質(zhì)，通常以SiO?離子形式存在），最外層則覆蓋著主要由氫和氦組成的大氣包層。

由于這些行星的軌道距離恒星太近，因此在它們形成時(shí)，巖石物質(zhì)中不可能包含水。然而，令人困惑的是，觀測證據(jù)表明，其中一些行星的大氣中確實(shí)存在水。

一種觀點(diǎn)認(rèn)為，這些富含水的行星最初可能在較遠(yuǎn)、更冷的區(qū)域形成的，隨后才遷移到了恒星附近。

還有另一種可能性是：在亞海王星中，大氣包層與硅酸鹽層之間的交界處的壓力可能超過地球大氣壓的一萬倍，溫度可高達(dá)數(shù)千開爾文。在這樣的極端條件下，硅酸鹽層會熔化成液態(tài)巖漿海洋，而包層最內(nèi)層的氫氣則會變成一種高密度流體。理論模型預(yù)測，大氣中的氫氣可能會與硅酸鹽發(fā)生反應(yīng)，從而生成水。

然而，由于缺乏氫氣與硅酸鹽熔融體（即巖漿）在高溫高壓條件下反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這一潛在的水源仍未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

在金剛石之間重現(xiàn)行星環(huán)境

在新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)使用了一種名為金剛石砧室的裝置，在實(shí)驗(yàn)室中再現(xiàn)亞海王星大氣包層與硅酸鹽巖漿海洋之間的交界處的高溫高壓環(huán)境，以此來模擬年輕行星上氫氣（代表早期行星大氣）與富鐵硅酸鹽熔融體（代表初始巖漿海洋）的相互作用。

金剛石砧室的原理是：將樣品夾在兩顆金剛石尖端之間并施加強(qiáng)大壓力，同時(shí)通過使用激光，將樣品加熱到很高的溫度。但這一實(shí)驗(yàn)極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵诟邷馗邏合拢瑲錃鈺B入金剛石內(nèi)部，從而導(dǎo)致砧具破裂。

新的研究通過實(shí)驗(yàn)室證實(shí)，水會在行星形成過程中自然產(chǎn)生。研究團(tuán)隊(duì)利用在兩顆金剛石尖端之間施壓與加熱的方式，對行星模擬材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)年輕行星的大氣與原始巖漿海洋之間的相互作用不僅會生成水，同時(shí)也會使氫溶解進(jìn)巖漿熔體中。這一發(fā)現(xiàn)對理解行星宜居性，以及尋找可能孕育生命的系外行星具有重大意義。（圖/Navid Marvi/Carnegie Science）

為減少氫擴(kuò)散造成的風(fēng)險(xiǎn)，研究人員采用了脈沖激光加熱的方式——他們向樣品發(fā)射數(shù)千次僅微秒級激光脈沖，使浸在氫氣中的微米級硅酸鹽和鐵顆粒瞬間升溫至2250~4000開爾文。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在硅酸鹽熔融體中，二氧化硅（SiO?）可與鐵和氫發(fā)生反應(yīng)，生成鐵–硅合金、鐵–氫合金、硅烷（SiH?）以及水。不過，鐵在亞海王星的硅酸鹽層與大氣包層之間化學(xué)反應(yīng)中的具體作用仍不確定，因?yàn)橐话阏J(rèn)為鐵大多集中在這些行星的深部。但令人驚喜的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，即使沒有鐵，二氧化硅與氫氣之間的簡單反應(yīng)也能生成水。

行星會自己造水

一直以來，液態(tài)水的存在被視為行星宜居性的核心條件之一。這項(xiàng)研究表明，大量的水可能是行星形成過程中自然產(chǎn)生的結(jié)果。

與此同時(shí)，新的發(fā)現(xiàn)還表明，在水生成的同時(shí)，大量氫氣可以儲存在巖漿海洋之內(nèi)。這對行星內(nèi)部的物理與化學(xué)性質(zhì)具有重要影響，也可能進(jìn)一步影響行星核心的形成以及大氣的組成。

這些發(fā)現(xiàn)都標(biāo)志著，科學(xué)家在尋找潛在宜居、可能孕育生命的遙遠(yuǎn)世界方面邁出了重要一步。

#參考來源：

https://carnegiescience.edu/how-do-planets-get-wet-experiments-show-water-creation-during-planet-formation-process

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09816-z

#圖片來源：

封面圖&首圖：Navid Marvi/Carnegie Science.