為何大多數系外行星都是巖漿世界

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫專欄

周三 · 視頻天象|周四 · 觀測指南

周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 太空探索

翻譯：王茸

校對：王婧彧 申振宇

審閱：繆征一

美編：徐玖坤

后臺：李子琦

藝術家對K2-18b的構想圖，這顆系外行星正引發著液態海洋/巖漿世界的爭論。

圖像來源: ESA/Hubble, M. Kornmesser

在天文學中，存在一個名為“簡并性”（degeneracy）的概念。這個英文單詞有墮落、腐化的含義。但在科學語境中，它與不法之徒無關，而是用來描述可作多重解釋的數據。在某些情況下，這種解釋會轉化為令人興奮的新假說。但多數時候，當這種情況發生時，人們往往因更引人入勝的可能性帶來的關注度，而忽略了其他更平凡的解釋。近期發現的眾多“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。但劍橋大學羅布·卡爾德(Robb Calder)及其合作者在arXiv預印本平臺發布的新論文指出，這些行星極可能幾乎全部由熔融巖漿構成。

這場爭論很大程度上與圍繞這些行星發現的化學特征有關。最著名的例子或許是K2-18b行星——由于其大氣化學成分，該行星曾被推測為“海世界”（Hycean worlds）。在深入觀測研究中，科學家曾發現該行星大氣中含有甲烷和二氧化碳，但氨含量極低。根據該研究，這正是氫氣大氣層下存在液態水海洋的“確鑿證據”，因為水會自然溶解氨。

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

簡而言之，這個問題的答案是肯定的。迄今發現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，作者們提出了一項名為“固化海岸線”(Solidification Shoreline)的指標。該指標將行星所環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象中多數恒星易于獲取的參數。更詳盡的解釋本應包含大氣層質量比例，即行星總質量中大氣層所占比例，但許多行星缺乏該項數據。

“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，其地幔將隨時間推移逐漸冷卻，最終不再是熔巖世界。

為計算行星在該線上的位置，研究人員運用了模擬行星內部氣候的PROTEUS模型。他們發現，在建模的數千顆“次海王星“行星中（這是迄今發現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家失望，但它為我們理解行星形成的動力學提供了有價值的模型。每顆系外行星的演化歷程都涉及復雜的相互作用力，但對于次海王星行星，由于我們只能遠距離觀測，其演化機制尤為難以掌握。隨著技術進步和對這些眾多系外行星數據的持續積累，或許終將找到解決其退化問題的終極方案。在此之前，或許我們不應該對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

微信公眾號：astronomycn

圖中所示行星GJ 504b是一個質量是木星四倍的巨型天體，圍繞著一顆距離我們57光年的恒星運行。

圖像來源:NASA

謝謝閱讀