研究人員最近發現，行星的大部分水通常不在其表面，而是深藏在內部。蘇黎世聯邦理工學院和普林斯頓大學科學家的模型計算顯示，這將影響遙遠世界的潛在宜居性。地球擁有一個鐵核，周圍是矽酸鹽基岩地函，表面有水（海洋）。迄今為止，科學界一直使用這個簡單的行星模型來研究系外行星–繞太陽系外另一顆恆星運行的行星。蘇黎世聯邦理工學院系外行星教授卡洛琳-多恩（Caroline Dorn）說：”直到最近幾年，我們才開始意識到行星比我們想像的要複雜得多。”

含有水的岩漿海洋行星–就像這幅藝術家概念圖中的類地系外行星GJ 1214 b–只會在其表面承載極小一部分的水。大部分水都儲存在內部深處。圖片來源：Artwork：NASA， ESA， and G. Bacon (STScI); Science：美國國家航空暨太空總署、歐洲太空總署、L. Kreidberg 和J. Bean（芝加哥大學），以及H. Knutson（加州理工學院）

目前已知的大多數系外行星都位於恆星附近。這意味著它們主要是由熔融岩漿海洋組成的熱世界，這些岩漿海洋尚未冷卻到形成像地球一樣的矽酸鹽基岩固體地函。水在這些岩漿海洋中的溶解度非常高–這與二氧化碳等物質不同，後者很快就會冒氣並上升到大氣中。

鐵核位於矽酸鹽熔融地函之下。那麼，水是如何在矽酸鹽和鐵之間分佈的呢？這正是多恩與普林斯頓大學的羅海陽和鄧傑合作，在基於基本物理定律的模型計算的幫助下所研究的問題。研究人員在《自然-天文學》雜誌上發表了他們的研究成果。

為了解釋這些結果，多恩不得不詳加說明：”鐵核的形成需要時間。大部分的鐵最初是以液滴的形式存在於炙熱的岩漿湯中。封閉在岩漿湯中的水與這些鐵滴結合在一起，並隨它們一起沉入地核。

到目前為止，人們只知道地球上也有這種中等壓力的情況。至於內部壓力較高的較大行星會發生什麼情況，人們還不得而知。多恩說：『這是我們研究的關鍵結果之一。行星越大，質量越大，水就越傾向於與鐵滴一起進入內核。在某些情況下，鐵吸收的水比矽酸鹽多70 倍。

這項研究是由對地球含水量的調查引發的，四年前的調查得出了一個令人驚訝的結果：地球表面的海洋只含有地球總含水量的一小部分。地球上80 多個海洋的含水量可能隱藏在地球內部。透過模擬計算水在地球年輕時的那種條件下的行為，可以證明這一點。實驗和地震測量結果也相對吻合。

關於行星中水的分佈的新發現對天文觀測數據的解釋產生了巨大的影響。天文學家利用他們在太空和地球上的望遠鏡，可以在一定條件下測量系外行星的重量和大小。他們利用這些計算結果繪製出質量半徑圖，從而得出行星組成的結論。如果在這樣做的時候–就像迄今為止的情況那樣–忽略了水的溶解性和分佈，那麼水的體積就會被大大低估，最多可低估十倍。行星的水量比之前假設的豐富得多。

如果我們想了解行星是如何形成和發展的，那麼水的分佈也很重要。沉入地核的水永遠被困在那裡。然而，溶解在地函岩漿海洋中的水可以在地函冷卻過程中脫氣並上升到地表。多恩解釋說：”因此，如果我們在行星的大氣層中發現了水，那麼其內部可能還有大量的水。”

這正是美國太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）兩年來從太空向地球發送資料的目的。它能夠追蹤系外行星大氣層中的分子。科學家解釋說：”只有系外行星上層大氣的成分可以直接測量。研究小組希望將大氣層與天體內部深處聯繫起來”。

“名為TOI-270d 的系外行星的新數據尤其令人感興趣。”多恩說：”在那裡收集到的證據表明，其內部的岩漿海洋與大氣之間確實存在這種相互作用。她希望更仔細研究的有趣天體還包括K2-18b 行星，這顆行星因為可能存在生命而成為頭條新聞。

水是生命發展的先決條件之一。長期以來，人們一直在猜測水量豐富的超級地球的潛在宜居性，即質量比地球大數倍、表面被深邃的全球海洋覆蓋的行星。隨後的計算表明，過多的水可能不利於生命。當時的論點是，在這些水世界中，一層奇特的高壓冰會阻礙海洋和行星地函界面上重要物質的交換。

新的研究現在得出了一個不同的結論：具有深水層的行星很可能是一種罕見的現象，因為超級地球上的大部分水並不像迄今為止人們所假設的那樣位於表面，而是被困在內核中。這使得科學家認為，即使是含水量相對較高的行星，也有可能發展出類似地球的宜居條件。正如多恩和她的同事們總結的那樣，他們的研究為可能存在支持生命的富水世界帶來了新的曙光。

編譯自/ ScitechDaily