行星上的水可以自然生成？

水的充盈對(duì)地球上生命的誕生至關(guān)重要，也被視為行星宜居性的核心條件之一。一直以來(lái)，一個(gè)令眾多科學(xué)家為止好奇的關(guān)鍵謎題是：巖質(zhì)行星（如地球）是如何獲得大量水的？

現(xiàn)在，一項(xiàng)新發(fā)表在《自然》雜志上的研究發(fā)現(xiàn)，在我們的銀河系中，一類常見行星的早期階段，可能會(huì)因?yàn)?strong>巖漿“海洋”與原始大氣之間的相互作用而富含液態(tài)水。

行星上的水源模型

在銀河系已發(fā)現(xiàn)的6000多顆系外行星中，所謂“亞海王星”是最常見的類型。

亞海王星的半徑比海王星小、比地球大。它們距離其宿主星的距離，往往比太陽(yáng)系中水星（距離太陽(yáng)最近的行星）與太陽(yáng)的距離還要更近。亞海王星通常被認(rèn)為由三層結(jié)構(gòu)組成：中心是鐵合金核心，其外部包裹著一層硅酸鹽（含有硅和氧的物質(zhì)，通常以SiO?離子形式存在），最外層則覆蓋著主要由氫和氦組成的大氣包層。

由于這些行星的軌道距離恒星太近，因此在它們形成時(shí)，巖石物質(zhì)中不可能包含水。然而，令人困惑的是，觀測(cè)證據(jù)表明，其中一些行星的大氣中確實(shí)存在水。

一種觀點(diǎn)認(rèn)為，這些富含水的行星最初可能在較遠(yuǎn)、更冷的區(qū)域形成的，隨后才遷移到了恒星附近。

還有另一種可能性是：在亞海王星中，大氣包層與硅酸鹽層之間的交界處的壓力可能超過(guò)地球大氣壓的一萬(wàn)倍，溫度可高達(dá)數(shù)千開爾文。在這樣的極端條件下，硅酸鹽層會(huì)熔化成液態(tài)巖漿海洋，而包層最內(nèi)層的氫氣則會(huì)變成一種高密度流體。理論模型預(yù)測(cè)，大氣中的氫氣可能會(huì)與硅酸鹽發(fā)生反應(yīng)，從而生成水。

然而，由于缺乏氫氣與硅酸鹽熔融體（即巖漿）在高溫高壓條件下反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這一潛在的水源仍未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

在金剛石之間重現(xiàn)行星環(huán)境

在新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)使用了一種名為金剛石砧室的裝置，在實(shí)驗(yàn)室中再現(xiàn)亞海王星大氣包層與硅酸鹽巖漿海洋之間的交界處的高溫高壓環(huán)境，以此來(lái)模擬年輕行星上氫氣（代表早期行星大氣）與富鐵硅酸鹽熔融體（代表初始巖漿海洋）的相互作用。

金剛石砧室的原理是：將樣品夾在兩顆金剛石尖端之間并施加強(qiáng)大壓力，同時(shí)通過(guò)使用激光，將樣品加熱到很高的溫度。但這一實(shí)驗(yàn)極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵诟邷馗邏合拢瑲錃鈺?huì)滲入金剛石內(nèi)部，從而導(dǎo)致砧具破裂。

新的研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)室證實(shí)，水會(huì)在行星形成過(guò)程中自然產(chǎn)生。研究團(tuán)隊(duì)利用在兩顆金剛石尖端之間施壓與加熱的方式，對(duì)行星模擬材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)年輕行星的大氣與原始巖漿海洋之間的相互作用不僅會(huì)生成水，同時(shí)也會(huì)使氫溶解進(jìn)巖漿熔體中。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)理解行星宜居性，以及尋找可能孕育生命的系外行星具有重大意義。（圖/Navid Marvi/Carnegie Science）

為減少氫擴(kuò)散造成的風(fēng)險(xiǎn)，研究人員采用了脈沖激光加熱的方式——他們向樣品發(fā)射數(shù)千次僅微秒級(jí)激光脈沖，使浸在氫氣中的微米級(jí)硅酸鹽和鐵顆粒瞬間升溫至2250~4000開爾文。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在硅酸鹽熔融體中，二氧化硅（SiO?）可與鐵和氫發(fā)生反應(yīng)，生成鐵–硅合金、鐵–氫合金、硅烷（SiH?）以及水。不過(guò)，鐵在亞海王星的硅酸鹽層與大氣包層之間化學(xué)反應(yīng)中的具體作用仍不確定，因?yàn)橐话阏J(rèn)為鐵大多集中在這些行星的深部。但令人驚喜的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，即使沒有鐵，二氧化硅與氫氣之間的簡(jiǎn)單反應(yīng)也能生成水。

行星會(huì)自己造水

一直以來(lái)，液態(tài)水的存在被視為行星宜居性的核心條件之一。這項(xiàng)研究表明，大量的水可能是行星形成過(guò)程中自然產(chǎn)生的結(jié)果。

與此同時(shí)，新的發(fā)現(xiàn)還表明，在水生成的同時(shí)，大量氫氣可以儲(chǔ)存在巖漿海洋之內(nèi)。這對(duì)行星內(nèi)部的物理與化學(xué)性質(zhì)具有重要影響，也可能進(jìn)一步影響行星核心的形成以及大氣的組成。

這些發(fā)現(xiàn)都標(biāo)志著，科學(xué)家在尋找潛在宜居、可能孕育生命的遙遠(yuǎn)世界方面邁出了重要一步。

#參考來(lái)源：

https://carnegiescience.edu/how-do-planets-get-wet-experiments-show-water-creation-during-planet-formation-process

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09816-z

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Navid Marvi/Carnegie Science.