为何大多数系外行星都是岩浆世界

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翻译：王茸

校对：王婧彧 申振宇

审阅：缪征一

美编：徐玖坤

后台：李子琦

艺术家对K2-18b的构想图，这颗系外行星正引发着液态海洋/岩浆世界的争论。

图像来源: ESA/Hubble, M. Kornmesser

在天文学中，存在一个名为“简并性”（degeneracy）的概念。这个英文单词有堕落、腐化的含义。但在科学语境中，它与不法之徒无关，而是用来描述可作多重解释的数据。在某些情况下，这种解释会转化为令人兴奋的新假说。但多数时候，当这种情况发生时，人们往往因更引人入胜的可能性带来的关注度，而忽略了其他更平凡的解释。近期发现的众多“次海王星”系外行星似乎正面临此类困境。某些理论将其描述为“海世界”（Hycean worlds）——即被水洋或冰层覆盖的星球。但剑桥大学罗布·卡尔德(Robb Calder)及其合作者在arXiv预印本平台发布的新论文指出，这些行星极可能几乎全部由熔融岩浆构成。

这场争论很大程度上与围绕这些行星发现的化学特征有关。最著名的例子或许是K2-18b行星——由于其大气化学成分，该行星曾被推测为“海世界”（Hycean worlds）。在深入观测研究中，科学家曾发现该行星大气中含有甲烷和二氧化碳，但氨含量极低。根据该研究，这正是氢气大气层下存在液态水海洋的“确凿证据”，因为水会自然溶解氨。

但还有另一种物质同样能有效溶解氨，那就是熔融岩浆。因此氨的缺失既可能是液态岩浆存在的迹象，也可能是液态水的证据。为验证这一观点，发布最新论文的研究人员尝试模拟“气态矮行星”的热演化过程——这种替代性行星构成同样能完美契合关于“海世界”（Hycean worlds）的观测数据。核心问题在于这些在太阳系中没有对应物的独特系外行星是否在演化过程中维持了岩浆海洋，从而对其成熟阶段的大气产生了显著影响。

简而言之，这个问题的答案是肯定的。迄今发现的几乎所有次海王星系外行星在其生命周期中都可能保持着岩浆海洋。根据论文所述，其中98%的行星用岩浆世界而非海世界模型同样能轻松解释其特征。

为证明其观点，作者们提出了一项名为“固化海岸线”(Solidification Shoreline)的指标。该指标将行星所环绕恒星的有效温度与恒星的恒星辐射通量（即大气层接收的能量总量）进行映射。恒星辐射通量直接影响系外行星大气温度，而恒星有效温度则是研究对象中多数恒星易于获取的参数。更详尽的解释本应包含大气层质量比例，即行星总质量中大气层所占比例，但许多行星缺乏该项数据。

“固化海岸线”(Solidification Shoreline)为判断行星是否获得足够热量来维持岩浆海洋提供了明确界限。若行星位于海岸线“上方”，则具备该条件；若位于下方，其地幔将随时间推移逐渐冷却，最终不再是熔岩世界。

为计算行星在该线上的位置，研究人员运用了模拟行星内部气候的PROTEUS模型。他们发现，在建模的数千颗“次海王星“行星中（这是迄今发现最常见的外行星类型），98%位于海岸线之上，这意味着它们很可能是岩浆世界而非海洋世界。

尽管这可能令许多寄希望于从这些世界寻找生命迹象的行星生物学家失望，但它为我们理解行星形成的动力学提供了有价值的模型。每颗系外行星的演化历程都涉及复杂的相互作用力，但对于次海王星行星，由于我们只能远距离观测，其演化机制尤为难以掌握。随着技术进步和对这些众多系外行星数据的持续积累，或许终将找到解决其退化问题的终极方案。在此之前，或许我们不应该对水世界抱有过多的期待。

https://www.universetoday.com/articles/why-most-exoplanets-are-magma-worlds

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图中所示行星GJ 504b是一个质量是木星四倍的巨型天体，围绕着一颗距离我们57光年的恒星运行。

图像来源:NASA

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