在过去的30年里，天文学家已经在太阳系之外确认发现了超过5000颗的系外行星，它们有着不同的大小、质量和成分。天文学家推测，其中大多数已探测到的超级地球和亚海王星自形成以来，就拥有全球性的岩浆海洋。这些岩浆海洋是水等挥发物的重要储存库。因此，水也很可能存在于这些行星内部。
然而，目前大多数用于解释系外行星的质量-半径数据的内部模型，通常都假设所有的水都仅存在于岩质内部的表面。 在一项新发表于《自然·天文》杂志的研究中，一组研究人员通过计算得出了颠覆之前想象的水世界概念的结论。他们发现，系外行星的大部分水通常不在其表面，而是深藏在其内部。
水和铁的岩浆汤
我们知道，地球的最里层是一个铁核，在铁核的周围是富含硅酸盐的地幔，地球表面则被水覆盖——大量的水存在于地表的河流、湖泊、海洋中。
长期以来，科学界一直使用地球这个简单的行星模型来研究系外行星。直到最近几年，科学家们才开始逐渐意识到，行星远比想象的要复杂得多。
我们目前已知的大多数系外行星都离它们的宿主星很近。这意味着，它们主要是由熔融的岩浆海洋组成的热世界。对于这类系外行星，地幔和地壳尚未完全形成和分化，因此水（具有较高的溶解度）可以很好地溶解在其岩浆海洋中，而不会像二氧化碳等物质那样迅速地排出并上升到大气中。那么，水在这些星球内部是如何分布的呢？
在大多数系外行星中，水的分布是由所谓的分配系数决定的。这一系数受到压力、温度和行星内部化学成分等因素的影响。在新的研究中，研究人员利用基于基本物理定律的分子动力学模型，分析了水在极端压力和温度下的行为。
他们的模拟结果显示，可能有超过95%可以储存在地核和地幔深处，而非地表。那么，这些水是如何到达行星的核心的？研究人员解释说，对于一颗行星来说，铁核的形成是需要时间的，大部分铁最初以液滴的形式包含在热的岩浆汤中。被隔绝在岩浆汤中的水与这些铁的微滴结合，并随它们下沉到核心。在这个过程中，铁滴就像是被水向下输送的升降机。
一般来说，行星核心的体积通常比地幔小，因此从体积上看，地核是一个比地幔更小的储水库。但是，铁可以容纳的水，可以是硅酸盐的70倍之多。因此，对于质量小的行星（小于6个地球质量），水主要储存在地幔中；而对于质量更大的行星，越多的水会在极端压力下与铁滴一起进入地核，而不是富含硅酸盐的地幔中。
这样的结果意味着，对于目前大多数已观测到的系外行星的大部分水来说，都储存在它们的地核深处。因此，系外行星上的水可能比我们之前认为的要丰富得多，只是全部隐藏了起来。
了解进化史
这一结果挑战了认为水主要存在于地表的传统观念，对解读天文观测数据具有重大影响。利用空基和地基望远镜，天文学家可以在一定条件下测量系外行星的质量和大小，并利用这些计算结果来绘制质量半径关系图，从而得出有关行星组成的结论。然而，这种方式会忽略水的溶解度和分布，研究人员认为利用这种方式所估算的水的体积可能被严重低估多达十倍。
了解水的分布对于了解行星是如何形成和演化的至关重要。下沉到核心的水将永远困在那里。然而，在地幔冷却过程中，溶解在由岩浆海洋构成的地幔中的水会排除并上升到行星表面。因此，如果我们在一颗系外行星的大气中发现了水，那么它的内部可能还有更多的水。
近年来，韦布空间望远镜（JWST）一直在从太空向地球发送数据。它能够追踪系外行星大气中的分子，能够直接探测到系外行星的高层大气。研究人员表示，他们希望能够利用这些数据建立从大气层到天体内部深处的联系。
#创作团队：
编译：不二北斗
排版：雯雯
#参考来源：
https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2024/08/planets-contain-more-water-than-thought.html
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02347-z
#图片来源：
封面图&首图：NASA/JPL-Caltech/R. Hurt
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