如果地球和海王星等行星內部的水和氫沒有分離會怎樣？加州大學洛杉磯分校和普林斯頓大學的最新研究表明，在極熱和極壓下，這些元素會在年輕行星內混合，甚至“雨化”。

• 當行星剛剛形成時，它們的溫度會非常高，其大氣層由氫和水的均勻混合物構成。

• 隨著這些行星逐漸冷卻，氫和水開始在大氣層內分離。

• 這種分離導致行星深處的水“蒸發”，釋放出熱量並改變了行星的大氣成分。

• 這些內部變化會對地球數十億年的長期演化產生重大影響。

• 這一發現也適用於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、岩石和金屬混合而成的。長期以來，科學家們認為這些物質在行星形成過程中不會發生化學反應。但如果它們發生了呢？加州大學洛杉磯分校和普林斯頓大學的研究人員對這個問題進行了探索，並發現了意想不到的事情：在年輕行星內部的高溫和高壓下，水和氫氣會發生反應，在其大氣中形成令人驚訝的化學混合物——甚至引發一種深層內部“降雨”。

我們銀河系中的大多數行星大小介於地球和海王星之間。研究表明，這些星球通常形成於厚厚的氫大氣層。隨著時間的推移，氫與這些行星的熔融內部相互作用，有時長達數百萬年甚至數十億年。大氣和內部之間的相互作用是這些行星形成、演化和發展其內部結構的關鍵部分。

類比極端行星條件

然而，所涉及的溫度和壓力是如此極端，以至於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洛杉磯分校和普林斯頓大學的超級計算機進行量子力學分子動力學類比，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。研究結果於 3 月 24 日發表在《天體物理學雜誌快報》上。

“我們通常認為基礎物理和化學知識是已知的，”這項研究的共同作者、加州大學洛杉磯分校地球、行星和空間科學教授 Lars Stixrude 說道。“我們知道什麼時候物質會融化，什麼時候會溶解，什麼時候會凍結。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，我們必須預測它們。”

原子在行動：氫與水相遇

研究人員類比了一個由氫和水組成的系統，每個系統有數百個原子，並計算了它們在量子水準上的相互作用。原子以自然的方式做出反應，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。隨後的水雨不僅會在這些星球深處產生意想不到的熱量，還會重塑這些行星的大氣層成分和數十億年的演化。

通過大氣分離進行的行星演化

“隨著時間的推移，當行星冷卻下來時，在大氣層的外部，水凝結后開始形成雲層，”第一作者阿卡什·古普塔 (Akash Gupta) 說道，他在加州大學洛杉磯分校 (UCLA) 讀博士時進行了這項研究，現在是普林斯頓大學51 Pegasi b 和 Harry H. Hess 博士後研究員。“此後不久，水和氫將開始在大氣層深處分離——這是一個關鍵事件，因為該行星的大部分氫和水儲量都位於這些深處。這將導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部包層。”

降雨能解釋天王星之謎嗎？

這一發現還可以幫助解決為什麼天王星和海王星的大小非常相似，但天王星散發的熱量卻比海王星少得多的謎團。

“迄今為止，海王星上水的蒸发可能比天王星更大，因此海王星內部產生的熱量更多，”古普塔說。“這可以解釋為什麼天王星的熱流比海王星低得多。”

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部溫度足夠高，它們可能完全處於氫和水無法分離的狀態，因此它們將由單一的均質氫水流體組成。

邁向行星內部的新框架

“如果水和氫確實在整個行星內部混合，那麼類似地球和海王星的系外行星的結構和熱演化可能與該領域通常使用的標準模型有很大不同，”研究報告的共同作者，加州大學洛杉磯分校地球、行星和空間科學教授希爾克·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，可能是液態的。”

這項研究提供了一個基於物理學的框架，可以更好地確定我們銀河系中哪些行星系統可能擁有富含水的海洋系外行星，哪些行星系統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