煉獄行星！天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一顆新行星，它的表面布滿巖漿海洋

2024年，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡對(duì)著35光年外的一顆系外行星拍下了它的透射光譜，拍攝的結(jié)果令天文學(xué)家非常的吃驚：它到底是顆什么行星？

這顆名叫L 98-59 d的行星，半徑為地球的1.627倍，但質(zhì)量?jī)H為地球的1.64倍，按行星物理模型計(jì)算，一顆純巖質(zhì)的行星，半徑要達(dá)到1.6倍地球，它的質(zhì)量至少要達(dá)到5-6倍地球質(zhì)量，密度會(huì)和地球相當(dāng)甚至更高。

而這顆行星很明顯，密度很低。

所以按學(xué)界沿用多年的分類邏輯，它要么是具有厚氫氦大氣的氣態(tài)矮星，要么是半數(shù)質(zhì)量都來(lái)自水的水世界。

可韋伯的觀測(cè)數(shù)據(jù)卻無(wú)法歸入它們?nèi)魏我粋€(gè)，它既沒(méi)有氣態(tài)矮星該有的極低大氣平均分子量，也沒(méi)有水世界必需的強(qiáng)氧化環(huán)境，反而在大氣里檢測(cè)到了大量含硫氣體。

2026年3月16日發(fā)表在《自然·天文學(xué)》上的這項(xiàng)由牛津大學(xué)牽頭的研究，終于給這顆什么都不像的行星，找到了準(zhǔn)確的身份。

它是一種從未被明確證實(shí)的新型行星：一個(gè)靠全球永久巖漿海洋維持富硫大氣的熔融超級(jí)地球。

更顛覆的是，它的演化史還直接改寫(xiě)了我們對(duì)系外行星半徑谷的傳統(tǒng)認(rèn)知。

L 98-59 d的宿主恒星是L 98-59，它是一顆質(zhì)量?jī)H為太陽(yáng)27%的紅矮星，整個(gè)系統(tǒng)的年齡約49.4億年，和太陽(yáng)系幾乎同齡。

它是這個(gè)系統(tǒng)里第三個(gè)發(fā)現(xiàn)的凌日行星，此前哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)就已經(jīng)排除了它擁有純氫大氣的可能，而JWST的光譜觀測(cè)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，它的大氣平均分子量約9.18g/mol，核心特征是含硫揮發(fā)分，同時(shí)整體密度異常低，完全不符合純巖質(zhì)行星的特征。

在此之前，天文學(xué)家對(duì)1.5-4倍地球半徑的系外行星，一直只有兩套主流解釋模型：要么是氣態(tài)矮星，也就是巖質(zhì)內(nèi)核包裹著從原行星盤(pán)里捕獲的原生氫氦大氣；要么是富水行星，也就是行星形成時(shí)在雪線外吸積了大量水，主體由不同相態(tài)的水構(gòu)成。

但這兩套經(jīng)典模型，在L 98-59 d身上全部失效。

氣態(tài)矮星模型的問(wèn)題在于，以氫為主的大氣會(huì)讓平均分子量遠(yuǎn)低于觀測(cè)值，這和韋伯望遠(yuǎn)鏡的光譜反演結(jié)果完全矛盾；而水世界模型更站不住腳，大量的水會(huì)帶來(lái)強(qiáng)氧化環(huán)境，不僅和大氣里還原態(tài)的含硫氣體不符，也無(wú)法匹配行星內(nèi)部的演化邏輯。

所以為了找到真相，研究團(tuán)隊(duì)用自主開(kāi)發(fā)的PROTEUS模型，把行星內(nèi)部演化、大氣輻射傳輸、恒星活動(dòng)演化、光化學(xué)過(guò)程、大氣逃逸等所有關(guān)鍵物理過(guò)程全部耦合，跑了900組演化模擬，完整回溯了這顆行星從誕生到今天近50億年的歷史，最終找到了唯一能完全匹配所有觀測(cè)數(shù)據(jù)的演化路徑。

這套路徑的核心是一個(gè)貫穿行星一生的全球永久巖漿海洋。

模擬結(jié)果顯示，L 98-59 d的地幔并非像地球這樣是固態(tài)的巖石圈，而是始終處于熔融狀態(tài)，熔體占比穩(wěn)定在45%左右。

這個(gè)巖漿海洋不是局部的熔巖庫(kù)，而是覆蓋整個(gè)行星的全球性熔融結(jié)構(gòu)，也是這顆行星所有特殊特征的源頭。

為什么它的巖漿海洋能維持近50億年不凝固？

這里有三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵機(jī)制：首先，行星離宿主星很近，潮汐力持續(xù)對(duì)內(nèi)部摩擦加熱，持續(xù)補(bǔ)充內(nèi)部能量；其次是厚大氣帶來(lái)的強(qiáng)溫室效應(yīng)，牢牢鎖住了行星內(nèi)部的熱量；最關(guān)鍵的是，硅酸鹽巖漿有個(gè)特殊的流變學(xué)性質(zhì)，當(dāng)熔體占比低于45%時(shí)，巖漿的粘度會(huì)呈指數(shù)級(jí)飆升，熱量反而很難通過(guò)對(duì)流傳遞出去，越冷越難散熱，最終形成了一個(gè)能穩(wěn)定維持幾十億年的熔融狀態(tài)。

這個(gè)永久巖漿海洋，同時(shí)解決了行星的低密度、富硫兩大核心謎題。

模擬顯示，這顆行星誕生時(shí)就擁有極其豐富的揮發(fā)性物質(zhì)，氫、硫等揮發(fā)分的總質(zhì)量占比超過(guò)行星總質(zhì)量的1.8%，初始地幔氫含量是早期地球地幔的100倍以上。

而巖漿海洋就像一個(gè)巨大的揮發(fā)分儲(chǔ)庫(kù)和緩沖器，硫在硅酸鹽熔融體里的溶解度遠(yuǎn)高于氫，所以絕大部分硫都被鎖在巖漿里，幾十億年來(lái)隨著巖漿的部分結(jié)晶緩慢脫氣進(jìn)入大氣。

而氫更容易從巖漿里脫氣進(jìn)入大氣，卻也更容易被宿主星的X射線和極紫外輻射吹走，最終形成了我們今天看到的、以氫氣為背景、富含硫化物的大氣。

更有意思的是大氣里二氧化硫的來(lái)源。

很多人會(huì)以為它是從行星內(nèi)部噴出來(lái)的，但研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)光化學(xué)模型明確證實(shí)，二氧化硫根本不是巖漿脫氣的直接產(chǎn)物，而是高層大氣里光化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。

巖漿脫氣出來(lái)的含硫氣體主要是硫化氫，這些氣體升到高層大氣后，會(huì)被恒星的紫外線照射分解，和水分子光解產(chǎn)生的OH自由基發(fā)生反應(yīng)，在大氣原位生成了二氧化硫，這一機(jī)制也和韋伯的觀測(cè)結(jié)果完美匹配。

這項(xiàng)研究顛覆學(xué)界的，還有它對(duì)系外行星半徑谷的全新解釋。

所謂半徑谷，就是天文學(xué)家在統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，1.5-2倍地球半徑的系外行星數(shù)量異常稀少。

此前主流觀點(diǎn)認(rèn)為，這是因?yàn)榭拷阈堑膩喓Ｍ跣牵髿獗缓阈禽椛鋸氐状倒猓瑥拇髠€(gè)頭的氣態(tài)行星縮成了小個(gè)頭的巖質(zhì)超級(jí)地球，中間的過(guò)渡態(tài)很難被觀測(cè)到。

但L 98-59 d的演化史，給了我們一個(gè)完全不同的答案。

模擬顯示，這顆行星剛誕生時(shí)，半徑超過(guò)2.2倍地球半徑，妥妥屬于亞海王星范疇，完全在半徑谷的另一邊。

它演化的前14億年，先是靠?jī)?nèi)部冷卻快速收縮，行星有效半徑從2.2倍地球半徑縮到1.74倍地球半徑，之后再靠大氣的光蒸發(fā)緩慢流失質(zhì)量，最終穿過(guò)半徑谷，變成了今天我們看到的1.6倍地球半徑的富硫大氣熔融超級(jí)地球。

它的存在說(shuō)明，穿過(guò)半徑谷的行星未必都會(huì)變成光禿禿的巖質(zhì)行星，還有可能像它這樣，帶著內(nèi)部巖漿海洋維持的厚大氣，成為一種全新的行星類型。

我們之前對(duì)小型系外行星的分類，實(shí)在太過(guò)簡(jiǎn)單粗暴了。

就像論文第一作者哈里森·尼科爾斯博士說(shuō)的，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)最讓人興奮的，是它揭示了銀河系里行星的多樣性，遠(yuǎn)超我們之前的想象。

太陽(yáng)系里沒(méi)有任何一顆行星和它類似，地球早期也有過(guò)巖漿海洋，但只維持了幾千萬(wàn)年就凝固了，而它卻把全球性熔融狀態(tài)保持了近50億年。