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
。