如果地球和海王星等行星内部的水和氢没有分离会怎样？加州大学洛杉矶分校和普林斯顿大学的最新研究表明，在极热和极压下，这些元素会在年轻行星内混合，甚至“雨化”。

• 当行星刚刚形成时，它们的温度会非常高，其大气层由氢和水的均匀混合物构成。

• 随着这些行星逐渐冷却，氢和水开始在大气层内分离。

• 这种分离导致行星深处的水“蒸发”，释放出热量并改变了行星的大气成分。

• 这些内部变化会对地球数十亿年的长期演化产生重大影响。

• 这一发现也适用于具有富氢大气层和水海洋的系外行星，特别是如果它们的内部温度足够高，可以阻止氢和水分离。

水和气体可能在行星深处混合

所有行星都是由气体、冰、岩石和金属混合而成的。长期以来，科学家们认为这些物质在行星形成过程中不会发生化学反应。但如果它们发生了呢？加州大学洛杉矶分校和普林斯顿大学的研究人员对这个问题进行了探索，并发现了意想不到的事情：在年轻行星内部的高温和高压下，水和氢气会发生反应，在其大气中形成令人惊讶的化学混合物——甚至引发一种深层内部“降雨”。

我们银河系中的大多数行星大小介于地球和海王星之间。研究表明，这些星球通常形成于厚厚的氢大气层。随着时间的推移，氢与这些行星的熔融内部相互作用，有时长达数百万年甚至数十亿年。大气和内部之间的相互作用是这些行星形成、演化和发展其内部结构的关键部分。

模拟极端行星条件

然而，所涉及的温度和压力是如此极端，以至于研究它们的实验室实验几乎是不可能的。研究人员利用加州大学洛杉矶分校和普林斯顿大学的超级计算机进行量子力学分子动力学模拟，以研究氢和水（行星中最重要的两种成分）如何在海王星大小及更小的行星中在广泛的压力和温度下相互作用。研究结果于 3 月 24 日发表在《天体物理学杂志快报》上。

“我们通常认为基础物理和化学知识是已知的，”这项研究的共同作者、加州大学洛杉矶分校地球、行星和空间科学教授 Lars Stixrude 说道。“我们知道什么时候物质会融化，什么时候会溶解，什么时候会冻结。但说到行星的深处，我们就不知道了。没有教科书可以让我们查阅这些东西，我们必须预测它们。”

原子在行动：氢与水相遇

研究人员模拟了一个由氢和水组成的系统，每个系统有数百个原子，并计算了它们在量子水平上的相互作用。原子以自然的方式做出反应，就像在相同条件下的实验室实验中一样。

行星在诞生时或非常接近母星时可能会非常热，这些计算实验表明，这样的行星将拥有由氢和水的均匀混合物组成的大气层。但随着行星的老化，它们的温度会下降，氢和水开始分离。随后的水雨不仅会在这些星球深处产生意想不到的热量，还会重塑这些行星的大气层成分和数十亿年的演化。

通过大气分离进行的行星演化

“随着时间的推移，当行星冷却下来时，在大气层的外部，水凝结后开始形成云层，”第一作者阿卡什·古普塔 (Akash Gupta) 说道，他在加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 读博士时进行了这项研究，现在是普林斯顿大学51 Pegasi b 和 Harry H. Hess 博士后研究员。“此后不久，水和氢将开始在大气层深处分离——这是一个关键事件，因为该行星的大部分氢和水储量都位于这些深处。这将导致行星大气层深处的‘降雨’，因为较重的水下沉而较轻的氢上升，从而形成一个富含氢的外层和富含水的内部包层。”

降雨能解释天王星之谜吗？

这一发现还可以帮助解决为什么天王星和海王星的大小非常相似，但天王星散发的热量却比海王星少得多的谜团。

“迄今为止，海王星上水的蒸发可能比天王星更大，因此海王星内部产生的热量更多，”古普塔说。“这可以解释为什么天王星的热流比海王星低得多。”

对宜居系外行星的影响

这项研究对太阳系外的行星也有影响，例如 K2-18 b 和 TOI-270 d，它们被认为是可能适宜居住的星球，拥有氢大气层和水海洋。然而，如果这些系外行星的内部温度足够高，它们可能完全处于氢和水无法分离的状态，因此它们将由单一的均质氢水流体组成。

迈向行星内部的新框架

“如果水和氢确实在整个行星内部混合，那么类似地球和海王星的系外行星的结构和热演化可能与该领域通常使用的标准模型有很大不同，”研究报告的共同作者，加州大学洛杉矶分校地球、行星和空间科学教授希尔克·施利希廷 (Hilke Schlichting) 说。

“另一方面，较冷的行星可能有一个富含水的单独层，可能是液态的。”

这项研究提供了一个基于物理学的框架，可以更好地确定我们银河系中哪些行星系统可能拥有富含水的海洋系外行星，哪些行星系统可能拥有氢和水完全混合的大气层。它还揭示了决定这种分裂的条件。

编译自/ScitechDaily