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中国科学家发现水星钻石层,厚达16公里,还有1000亿吨的水资源!

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一颗被太阳炙烤到白天表面温度高达427℃的行星,真的可能藏着厚达十几公里的钻石层,甚至还有多达1000亿吨的水资源吗?这听起来像是科幻小说才敢写的情节,但最新的科学研究和探测数据却给出了肯定的答案。这背后,究竟隐藏着一颗怎样超乎想象的星球?

在天文学家眼中,水星一直是八大行星中最神秘的一颗。一方面是因为它拥有超乎寻常的高密度,以至于不少人怀疑它先前会不会是某颗气态行星的核心;另一方面是人类对水星的了解十分有限。

虽然相比于外围的气态行星,水星距离地球并不算太远,平均距离太阳也不过5800万公里,但由于它紧挨着太阳,从地球上观测起来十分不便,稍不留神就会被强烈的日光所干扰。



目前人类对水星的了解,主要还是源于早年间的探测器,比如著名的"信使号"水星探测器。从"信使号"拍摄的照片来看,水星乍一看和月球十分相似,地表也遍布着大大小小的环形山,一副饱经陨石轰击的沧桑面孔。

但科学家从"信使号"采集的数据中发现了一个不一样的地方——水星表面存在着大量以石墨形式存在的碳。

科学家推断,早期的水星表面是一片岩浆海洋,这些岩浆中碳含量十分丰富,甚至达到了饱和状态。随着时间流逝,岩浆慢慢冷却,此时其中的碳也渐渐凝固成了石墨。



正是因为这些石墨的存在,水星的表面才显得异常黑暗,其反照率是八大行星中最低的,还不到9%,也就是说它只反射不到十分之一的阳光,其余的都被吸收了。

既然水星表面有这么多碳,那么它内部的碳肯定也不少。在高温高压的行星内部,这里的碳又会以什么形式存在呢?

2024年6月,一篇发表在《自然·通讯》上的文章给出了答案。来自中国和比利时的科研团队根据高温高压实验、热力学模型以及最新的行星内部结构模型等,重新评估了水星内部的碳形态,得到了一个令人震惊的结论。



水星有一个硕大的核心,无论是体积还是质量,它都占了整个行星的一大半,这也是水星密度出奇高的重要原因。早期的水星从地壳到地幔,再到核心,全都处于熔融状态。在地幔和地核交界的地方,这里的压强可能高达70亿帕,大概相当于1万头大象站在人身上。

在水星核幔交界处的极高压下,碳会形成一种最稳定的物质形态——金刚石,也就是我们熟知的钻石。随着水星的核心慢慢冷却,它逐渐从液态变为固态,核心中的钻石也慢慢结晶出来,上浮到了核心外层的核幔交界处。

同时,交界处上层的岩浆海洋中可能也有一部分钻石形成,这些钻石密度较大,会沉降到海底,最终也沉积在核幔交界处。



于是,如今水星的核幔交界处,可能存在一层厚约15到18公里、由金刚石组成的钻石层。即使到了今天,那里的温度仍然接近石墨转变为钻石的临界温度,这就使得该钻石层可以稳定存在至今。

这一发现不仅使人们对水星的结构和磁场有了更深刻的认识,同时也将帮助研究者完善目前的行星模型。

有趣的是,除了内部深处的钻石层,水星的两极还藏着另一份意想不到的宝藏。你可能会想,一颗白天表面温度高达427℃、被太阳烤到发烫的行星,怎么可能存在水?但事实是,水星确实有水,只不过是以冰的形式藏在它的极地阴影里。



早在2012年,NASA的探测器就首次确认,水星南北极的陨石坑深处存在大量水冰,总量可能达到惊人的1000亿吨,足以填满地球上几十个大湖。

它们之所以能在如此靠近太阳的地方长期保存,是因为水星自转轴几乎垂直于其公转轨道面,南北两极某些深邃的陨石坑永远晒不到阳光,温度常年维持在零下170℃左右,成了天然的"冷冻库"。

科学家通过分析雷达和光谱数据还发现,这些冰不仅相当纯净,其中还可能混有有机物,极有可能是太阳系早期由彗星或小行星撞击带来的原始物质。一颗被烈日炙烤的行星,同时坐拥地下的钻石层和极地的水冰,这样的反差让水星成为了太阳系中最耐人寻味的天体之一。



将视线从水星拉远,天文学家的目光也投向了更加遥远的宇宙深处。截止目前,已确认的系外行星超过了5000颗。

不过在这5000多颗系外行星中,大部分都是气态行星,只有三分之一是超级地球,也就是1到10倍地球质量的岩质或混合态行星。而这里面位于恒星宜居带的就更是凤毛麟角了。

前不久,天文学家通过韦伯望远镜在距离地球48光年的鲸鱼座,确认了一颗位于宜居带内、可能拥有着大量液态水的海洋星球LHS 1140b。相关研究已发表在上个月的《天体物理学杂志快报》上,一经公布便引发了广泛的关注。



其实早在2017年,天文学家就已经关注到了这颗行星。起初,人们认为它可能是一颗体积稍小的气态行星,于是被归为了"迷你海王星",其大气层过于浓厚,仅有的氢气和氦气不足以维持生命存在。

然而后来研究人员在结合韦伯、哈勃、斯皮策以及苔丝等多个望远镜的数据进行分析后,得出了截然不同的结论。

首先,通过更精确的测量,这颗行星无论是质量还是体积,几乎都是地球的5倍。这说明它的整体密度和地球相当,也就是说它并不是气态行星,而是一颗岩质的超级地球。



其次,当该行星从母恒星前经过的时候,也就是"凌日"时,研究人员借助韦伯望远镜观测了行星大气的透射光谱,发现这里的大气确实没有任何氢气的迹象,这就更加排除了它是迷你海王星的可能性。

更加令人兴奋的是,相比于地球,这颗行星的密度略低一些,再考虑到它恰好位于宜居带内,这表明它有百分之十几的质量可能是由水构成的。要知道,地球表面虽然七成都被水覆盖,但地球的水含量还不到地球总质量的0.1%。

相比之下,将这颗星球称为"海洋星球"完全不为过。



不过,由于这颗行星的母恒星是一颗红矮星,位于宜居带的它必定离恒星非常近,大概只有0.09个天文单位,不到地日距离的十分之一,因此它可能已经处于潮汐锁定状态,始终只有一面朝向恒星。

在这种情况下,该行星表面可能并非全部都是液态水,更多面积可能被固态的冰层覆盖,只有朝向恒星的那一面,可能融化出了一片直径约4000公里的海洋。

虽然有液态水,但如果没有大气层保护的话,再多的水也有被蒸发完的那一天。关于这个问题,韦伯望远镜又带来了一个好消息——这颗星球似乎存在大量的氮,这意味着它可能拥有含氮的大气层。



地球的大气层中绝大部分就是氮,这样一来,该星球存在液态水的可能性就更高了。甚至按照模型估算,那片海洋中心区域的表面温度可能在舒适的20摄氏度左右。

不过,关于这颗星球是否真的有大气层,还需要后续的进一步观测。不管怎样,有液态水、位于宜居带以及富含氮元素等等,这些特征已经说明该星球在支持生命存在方面有着独特的机会。

也许它的表面看起来一片荒芜,但在它冰层下的海洋中,或许已经演化出了某种水下生命,只是我们还没有能力去一探究竟。



从水星核幔交界处那层厚达十几公里的钻石层,到极地阴影中沉睡了亿万年的1000亿吨水冰,再到48光年外那颗被海洋覆盖的超级地球,每一个新发现都在不断刷新人类对宇宙的认知边界。

曾经我们以为水星只是一颗被烈日炙烤、毫无生机的荒芜世界,如今却发现它同时藏着钻石与冰水这两种截然相反的秘密。而遥远的LHS 1140b,则让我们对"地球是否孤独"这个古老命题多了一份期待。

宇宙从不缺乏惊喜,缺的只是我们抬头仰望时那一份持续的好奇心与探索的勇气,而每一次望远镜的对焦,都可能是下一个奇迹被揭开的开始。

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