我们从小熟悉的地球结构——一个铁镍地核、一层岩石地幔、外面裹着薄薄的大气——可能是宇宙中的少数派。
天文学家已经发现了五千多颗系外行星。其中数量最多的一类叫"亚海王星":比地球大,比海王星小,直径大约是地球的2到4倍。它们的近亲"超级地球"稍小一些,可能早年就把氢气丢光了。教科书里,这些行星的形成过程和地球差不多:铁沉底,硅酸盐浮上来,氢气盖在最上面。一层一层,泾渭分明。
但一篇刚提交给《天体物理学杂志》的论文提出了一个麻烦的问题:在亚海王星内部的温度和压强下,氢、硅酸盐和铁,真的还会乖乖分层吗?
答案是否定的。当温度超过4000开尔文(约3700摄氏度),氢和熔融硅酸盐会变得完全互溶。它们不再是油和水,而是变成一种流体。研究团队在arXiv上公开的预印本论文中算出了这意味着什么——而结果相当反直觉。
这里有一个关键的分界线:1%。
如果一颗行星吸积的氢气不到其总质量的1%,它还会按老剧本走,形成一个像地球那样的金属地核。但如果氢气超过这个阈值,整颗行星的内部就会变成一团均匀的混合流体:铁、硅酸盐、氢,全部搅在一起。没有核,没有幔,从表面往下几千公里,成分几乎一样。
这和我们在课本里看到的剖面图完全不同。但更重要的是,它能解释一些长期困扰天文学家的观测现象。
第一个是"半径间隙"。开普勒望远镜和詹姆斯·韦布空间望远镜都发现,在超级地球和亚海王星之间,行星数量明显偏少。这个缺口是怎么来的?旧的分层模型一直很头疼。但如果亚海王星年轻时把大量氢储存在互溶的内部,随着行星冷却、互溶区域收缩,氢气慢慢释放到外层大气——半径就会逐渐膨胀再收缩,自然在这个尺寸区间留下空白。
第二个是轨道周期与半径的关系。行星离恒星越近,半径似乎有特定的变化规律。互溶模型也能自然导出这个结果,而分层模型则需要额外假设。
换句话说,银河系最常见的行星类型,其内部可能根本不像地球那样"有层次感"。我们以为的常态,可能只是局部特例。
这项研究目前还在同行评审阶段。但它已经指向一个更宏大的问题:当我们用地球的经验去推断整个星系时,有多少偏见是我们自己没意识到的?
地核这个概念,在地球上理所当然。但在宇宙中,它可能才是需要解释的那个例外。
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