天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)奇特系外行星：地下巨型巖漿海洋封存硫元素

IT之家 3 月 16 日消息，牛津大學(xué)研究人員領(lǐng)銜的一支科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，找到了太陽系外存在一類此前未知新型行星的證據(jù)。這顆奇特星球在地表之下的永久熔融巖石海洋中，封存了巨量硫元素。相關(guān)研究成果已于 3 月 16 日發(fā)表在《自然 · 天文學(xué)》期刊上。

據(jù)IT之家了解，這顆行星名為 L 98-59 d（因圍繞太陽系外恒星運(yùn)行，被稱作系外行星），圍繞距離地球約 35 光年的一顆小型紅矮星運(yùn)轉(zhuǎn)。詹姆斯 · 韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）的觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合地面天文臺(tái)的資料，揭示了驚人發(fā)現(xiàn)：這顆行星體積約為地球的 1.6 倍，密度卻異常偏低，大氣中含有大量硫化氫。

無法歸入任何已知類別的奇特系外行星

在此之前，天文學(xué)家對 L 98-59 d 這類行星，通常只有兩種歸類：要么是擁有富氫大氣的巖質(zhì)“氣體矮行星”，要么是以深海和冰層為主的富水星球。

但最新研究表明，L 98-59 d 并不符合上述任何一種分類。相反，它很可能屬于一個(gè)以重硫化合物為主導(dǎo)的全新行星類別。

擁有巨型巖漿海洋的星球

為深入研究這顆行星，來自牛津大學(xué)、格羅寧根大學(xué)、利茲大學(xué)和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員，借助精密計(jì)算機(jī)模擬，追溯了它從形成后至今近 50 億年的演化歷程。

研究團(tuán)隊(duì)將望遠(yuǎn)鏡觀測數(shù)據(jù)與行星內(nèi)部及大氣的精細(xì)模型相結(jié)合，還原了其地表之下極深處的運(yùn)行狀態(tài)。

分析結(jié)果顯示，L 98-59 d 的地幔極有可能由熔融硅酸鹽巖石構(gòu)成，與地球熔巖類似。其地表之下存在一片深達(dá)數(shù)千公里的全球性巖漿海洋。這片巨型熔融巖石庫，能讓行星在地質(zhì)時(shí)間尺度下，在內(nèi)部儲(chǔ)存巨量硫元素。

這片巖漿海洋還維持著一層濃厚大氣，大氣中富含氫與硫化氫等含硫氣體。通常情況下，宿主恒星的輻射會(huì)通過 X 射線驅(qū)動(dòng)的大氣逃逸作用，逐漸將這些氣體剝離至太空。

大氣與內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)交換

數(shù)十億年來，行星熔融內(nèi)部與大氣的相互作用，塑造了科學(xué)家如今探測到的化學(xué)特征，也解釋了 L 98-59 d 大氣成分的異常之處。

研究人員提出，這顆行星或許是首個(gè)被確認(rèn)的、擁有持久巖漿海洋的富氣富硫行星代表。若該推論成立，意味著銀河系中的行星多樣性，遠(yuǎn)超科學(xué)家此前認(rèn)知。

該研究第一作者、牛津大學(xué)物理系哈里森 · 尼科爾斯博士表示：“這一發(fā)現(xiàn)表明，天文學(xué)家目前用于劃分小型行星的分類體系或許過于簡單。盡管這顆熔融行星基本不可能存在生命，卻展現(xiàn)了太陽系外星球的豐富多樣性。我們不禁要問：還有多少類型的行星等待我們發(fā)現(xiàn)？”

硫元素如何塑造行星大氣

2024 年，韋布望遠(yuǎn)鏡在 L 98-59 d 高層大氣中觀測到二氧化硫及其他含硫氣體。團(tuán)隊(duì)模型顯示，宿主紅矮星 L 98-59 的紫外輻射引發(fā)大氣化學(xué)反應(yīng)，便可生成這些氣體。

與此同時(shí)，地下巖漿海洋如同揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)的巨型儲(chǔ)庫，在行星形成后的數(shù)十億年間，持續(xù)吸收與釋放這些氣體。行星內(nèi)部深層儲(chǔ)庫與紫外驅(qū)動(dòng)的大氣化學(xué)作用相互影響，正是科學(xué)家觀測到其異常特性的原因。

模擬還顯示，L 98-59 d 形成之初擁有大量揮發(fā)性物質(zhì)，曾類似體積更大的亞海王星型行星。隨著時(shí)間推移，行星逐漸冷卻并流失部分大氣，最終體積收縮。

科學(xué)家認(rèn)為，所有巖質(zhì)行星（包括地球與火星）的初始狀態(tài)都存在巖漿海洋。因此，研究遙遠(yuǎn)行星的巖漿海洋，能為探索地球早期歷史提供線索。

還原遙遠(yuǎn)星球的演化歷史

該研究合著者、牛津大學(xué)物理系雷蒙德 · 皮埃爾亨伯特教授表示：“令人振奮的是，我們能通過計(jì)算機(jī)模型，揭開一顆永遠(yuǎn)無法抵達(dá)的行星的隱藏內(nèi)部。盡管天文學(xué)家只能從遙遠(yuǎn)太空測量行星的體積、質(zhì)量與大氣成分，但這項(xiàng)研究證明，我們可以還原這些外星世界的遠(yuǎn)古歷史，發(fā)現(xiàn)太陽系中不存在的全新行星類型。”

韋布望遠(yuǎn)鏡的新觀測正持續(xù)輸送海量數(shù)據(jù)，未來包括“阿里爾”（Ariel）、“柏拉圖”（PLATO）在內(nèi)的探測任務(wù)，還將帶來更精細(xì)的觀測結(jié)果。

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃借助機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，將模擬模型應(yīng)用于未來觀測數(shù)據(jù)，目標(biāo)是繪制太陽系外各類行星的全貌，并將其與早期演化歷史關(guān)聯(lián)起來。研究行星的形成與演化，也能幫助科學(xué)家判斷哪些環(huán)境可能孕育生命。

利茲大學(xué) / 牛津大學(xué)的理查德 · 查特吉博士說：“我們的計(jì)算機(jī)模型模擬了各類行星過程，相當(dāng)于讓時(shí)光倒流，解析這顆奇特的巖質(zhì)系外行星 L 98-59 d 的演化。帶來臭雞蛋氣味的硫化氫，在這顆星球上扮演了關(guān)鍵角色。但和往常一樣，我們?nèi)孕韪嘤^測來研究這顆行星及同類天體。后續(xù)研究或許會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種氣味刺鼻的行星其實(shí)出奇普遍。”