如果地球和海王星等行星內(nèi)部的水和氫沒有分離會怎樣？加州大學(xué)洛杉磯分校和普林斯頓大學(xué)的最新研究表明，在極熱和極壓下，這些元素會在年輕行星內(nèi)混合，甚至“雨化”。
當(dāng)行星剛剛形成時，它們的溫度會非常高，其大氣層由氫和水的均勻混合物構(gòu)成。
隨著這些行星逐漸冷卻，氫和水開始在大氣層內(nèi)分離。
這種分離導(dǎo)致行星深處的水“蒸發(fā)”，釋放出熱量并改變了行星的大氣成分。
這些內(nèi)部變化會對地球數(shù)十億年的長期演化產(chǎn)生重大影響。
這一發(fā)現(xiàn)也適用于具有富氫大氣層和水海洋的系外行星，特別是如果它們的內(nèi)部溫度足夠高，可以阻止氫和水分離。
水和氣體可能在行星深處混合
所有行星都是由氣體、冰、巖石和金屬混合而成的。長期以來，科學(xué)家們認為這些物質(zhì)在行星形成過程中不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但如果它們發(fā)生了呢？加州大學(xué)洛杉磯分校和普林斯頓大學(xué)的研究人員對這個問題進行了探索，并發(fā)現(xiàn)了意想不到的事情：在年輕行星內(nèi)部的高溫和高壓下，水和氫氣會發(fā)生反應(yīng)，在其大氣中形成令人驚訝的化學(xué)混合物——甚至引發(fā)一種深層內(nèi)部“降雨”。
我們銀河系中的大多數(shù)行星大小介于地球和海王星之間。研究表明，這些星球通常形成于厚厚的氫大氣層。隨著時間的推移，氫與這些行星的熔融內(nèi)部相互作用，有時長達數(shù)百萬年甚至數(shù)十億年。大氣和內(nèi)部之間的相互作用是這些行星形成、演化和發(fā)展其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分。
模擬極端行星條件
然而，所涉及的溫度和壓力是如此極端，以至于研究它們的實驗室實驗幾乎是不可能的。研究人員利用加州大學(xué)洛杉磯分校和普林斯頓大學(xué)的超級計算機進行量子力學(xué)分子動力學(xué)模擬，以研究氫和水（行星中最重要的兩種成分）如何在海王星大小及更小的行星中在廣泛的壓力和溫度下相互作用。研究結(jié)果于 3 月 24 日發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報》上。
“我們通常認為基礎(chǔ)物理和化學(xué)知識是已知的，”這項研究的共同作者、加州大學(xué)洛杉磯分校地球、行星和空間科學(xué)教授 Lars Stixrude 說道。“我們知道什么時候物質(zhì)會融化，什么時候會溶解，什么時候會凍結(jié)。但說到行星的深處，我們就不知道了。沒有教科書可以讓我們查閱這些東西，我們必須預(yù)測它們?！?/p>
原子在行動：氫與水相遇
研究人員模擬了一個由氫和水組成的系統(tǒng)，每個系統(tǒng)有數(shù)百個原子，并計算了它們在量子水平上的相互作用。原子以自然的方式做出反應(yīng)，就像在相同條件下的實驗室實驗中一樣。
行星在誕生時或非常接近母星時可能會非常熱，這些計算實驗表明，這樣的行星將擁有由氫和水的均勻混合物組成的大氣層。但隨著行星的老化，它們的溫度會下降，氫和水開始分離。隨后的水雨不僅會在這些星球深處產(chǎn)生意想不到的熱量，還會重塑這些行星的大氣層成分和數(shù)十億年的演化。
通過大氣分離進行的行星演化
“隨著時間的推移，當(dāng)行星冷卻下來時，在大氣層的外部，水凝結(jié)后開始形成云層，”第一作者阿卡什·古普塔 (Akash Gupta) 說道，他在加州大學(xué)洛杉磯分校 (UCLA) 讀博士時進行了這項研究，現(xiàn)在是普林斯頓大學(xué)51 Pegasi b 和 Harry H. Hess 博士后研究員?！按撕蟛痪?，水和氫將開始在大氣層深處分離——這是一個關(guān)鍵事件，因為該行星的大部分氫和水儲量都位于這些深處。這將導(dǎo)致行星大氣層深處的‘降雨’，因為較重的水下沉而較輕的氫上升，從而形成一個富含氫的外層和富含水的內(nèi)部包層?！?/p>
降雨能解釋天王星之謎嗎？
這一發(fā)現(xiàn)還可以幫助解決為什么天王星和海王星的大小非常相似，但天王星散發(fā)的熱量卻比海王星少得多的謎團。
“迄今為止，海王星上水的蒸發(fā)可能比天王星更大，因此海王星內(nèi)部產(chǎn)生的熱量更多，”古普塔說?！斑@可以解釋為什么天王星的熱流比海王星低得多?！?/p>
對宜居系外行星的影響
這項研究對太陽系外的行星也有影響，例如 K2-18 b 和 TOI-270 d，它們被認為是可能適宜居住的星球，擁有氫大氣層和水海洋。然而，如果這些系外行星的內(nèi)部溫度足夠高，它們可能完全處于氫和水無法分離的狀態(tài)，因此它們將由單一的均質(zhì)氫水流體組成。
邁向行星內(nèi)部的新框架
“如果水和氫確實在整個行星內(nèi)部混合，那么類似地球和海王星的系外行星的結(jié)構(gòu)和熱演化可能與該領(lǐng)域通常使用的標(biāo)準(zhǔn)模型有很大不同，”研究報告的共同作者，加州大學(xué)洛杉磯分校地球、行星和空間科學(xué)教授希爾克·施利希廷 (Hilke Schlichting) 說。
“另一方面，較冷的行星可能有一個富含水的單獨層，可能是液態(tài)的?！?/p>
這項研究提供了一個基于物理學(xué)的框架，可以更好地確定我們銀河系中哪些行星系統(tǒng)可能擁有富含水的海洋系外行星，哪些行星系統(tǒng)可能擁有氫和水完全混合的大氣層。它還揭示了決定這種分裂的條件。
編譯自/ScitechDaily
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