新研究揭示了岩浆海洋如何影响热超级地球的演化

熔岩世界是一个潜在的新兴热超级地球系外行星群，它们位于围绕其主恒星的近距离轨道上，可能具有部分熔融的地幔。俄亥俄州立大学和西南研究所的天文学家发现，这些席卷而来的熔海对观测到的热岩石超级地球的特性有很大影响，例如它们的大小和演化路径。他们发现，由于熔岩具有极高的可压缩性，岩浆海洋会导致没有大气层的熔岩世界比类似大小的固体行星密度稍高，并影响其地幔的结构，即围绕行星核心的厚内层。

俄亥俄州立大学研究生基尔斯滕·博利(Kiersten Boley)表示：“即便如此，由于对这些物体的研究众所周知，要描述熔岩行星的基本运作特征可能是一项艰巨的任务。”

“熔岩世界是非常奇怪、非常有趣的东西，由于我们探测系外行星的方式，我们更倾向于寻找它们。”

这些神秘燃烧世界中最著名的之一是55 Cancri e，它是围绕类太阳恒星 55 Cancri A 运行的五颗行星之一，该恒星距离我们 41 光年，但在巨蟹座中肉眼可见。

博利说：“虽然我们太阳系中的一些天体，例如木星的卫星木卫一，火山活动极其活跃，但在我们的宇宙范围内，并没有真正的熔岩行星可供科学家近距离研究。”

“然而，研究岩浆海洋的成分如何影响其他行星的演化，例如它们保持熔融状态的时间以及它们最终冷却的原因，可以为地球自身的炽热历史提供线索。”

“当行星最初形成时，特别是岩石类地行星，它们在冷却时会经历岩浆海洋阶段。”

“因此熔岩世界可以让我们深入了解几乎所有类地行星的演化过程中可能发生的事情。”

Boley 和她的同事利用系外行星内部建模软件 ExoPlex 和之前研究中收集的数据构建了一个包含多种岩浆成分信息的模块，模拟了一颗表面温度在 1,427-2,127 摄氏度之间的类地行星的几种演化场景。 (2600-3860 华氏度)——行星固体地幔转变成液体的熔点。

从他们创建的模型中，研究人员能够辨别出岩浆海洋行星的地幔可以呈现三种形式之一：第一种形式是整个地幔完全熔化，第二种形式是岩浆海洋位于地表，第三种形式是岩浆海洋位于地表。第三种三明治式模型，由表面的岩浆海洋、中间的固体岩石层和最靠近行星核心的另一层熔融岩浆组成。

结果表明，第二种和第三种形式比完全熔化的行星更常见。

根据岩浆海洋的成分，一些无大气层的系外行星比其他行星更擅长捕获挥发性元素(例如形成早期大气所必需的氧和碳等化合物)数十亿年。

例如，研究指出，一颗质量是地球 4 倍的基底岩浆类行星可以捕获比当今地球海洋多 130 倍的水质量，以及目前行星表面存在的碳量的约 1,000 倍和地壳。

“当我们谈论行星的演化及其拥有维持生命所需的不同元素的潜力时，能够在其地幔中捕获大量挥发性元素可能会对宜居性产生更大的影响，”博利说。

熔岩世界距离适合生命生存还有很长的路要走，但了解帮助这些系外行星到达那里的过程很重要。

然而，这项研究明确表明，在将这些行星与固体系外行星进行比较时，测量它们的密度并不是表征这些行星的最佳方法，因为岩浆海洋既不会显着增加也不会显着降低其行星的密度。

相反，该研究表明，天文学家应该关注其他地球参数，例如行星表面重力的波动，以测试他们关于热熔岩世界如何运作的理论，特别是如果未来的研究人员计划使用他们的数据来帮助进行更大规模的行星研究。

“这项工作结合了地球科学和天文学，基本上提出了有关熔岩世界的令人兴奋的新问题，”博利说。

该研究发表在 2023 年 9 月 7 日出版的《天体物理学杂志》上。