冰巨星海王星和天王星上的深层水可能富含镁元素

虽然科学家们已经积累了关于我们太阳系中的岩石行星，如地球和火星的大量知识，但对较远距离的富含冰水的行星，海王星和天王星的了解却少得多。在最近发表在《自然·天文学》上的一项新研究中，一个科学家小组在实验室中重新创建了海王星和天王星内部的温度和压力，并在此过程中对这些行星的深层水的化学成分有了更多的了解。

他们的发现也为我们太阳系外富含水分的系外行星上的海洋组成提供了线索。

传统上认为海王星和天王星有不同的独立层，由大气层、冰或流体、岩石地幔和金属核心组成。对于这项研究，研究小组对深层内部的水和岩石之间可能的反应特别感兴趣。

首席作者、韩国延世大学的Taehyun Kim说：“通过这项研究，我们正在寻求扩大我们对冰巨星内部深处的了解，并确定在极端条件下可能存在的水-岩石相互作用。冰巨星和一些系外行星有非常深的水层，与陆地行星不同。我们提出了冰巨星内部两种造星材料（水和岩石）的原子级混合的可能性。”

在实验室中对橄榄石样品使用了金刚石安瓿（右上）和激光，以达到天王星氢气层下水层顶部预期的压力-温度条件（左）。在这个实验中，橄榄石中的镁溶解在水中。资料来源：Shim/ASU

为了在实验室中模拟海王星和天王星上的深水层的条件，研究小组首先将典型的成岩矿物，橄榄石和铁橄榄石浸泡在水中，并将样品在一个金刚石真空泵中压缩到非常高的压力。然后，为了监测矿物和水之间的反应，他们在用激光将样品加热到高温时进行X射线测量。

由此产生的化学反应导致了水中镁的高浓度。基于这些发现，研究小组得出结论，富水行星上的海洋可能不具有与地球海洋相同的化学特性，高压会使这些海洋富含镁。

“我们发现，镁在高压下变得更容易溶于水。事实上，镁在天王星和海王星水层中的溶解度可能与盐在地球海洋中的溶解度一样，“研究的共同作者、亚利桑那州立大学地球和空间探索学院的Sang-Heon Dan Shim说。

橄榄石样品的电子显微镜图像显示了一个大的空穹顶结构，镁在高压水下沉淀为氧化镁。

这些特征也可能有助于解决天王星的大气层比海王星的大气层冷得多的谜团，尽管它们都是富含水的行星。如果天王星大气层以下的水层中存在更多的镁，它可能会阻止热量从内部逃逸到大气层中。

Shim说：“这种富含镁的水可能像行星内部的热毯。在我们的太阳系之外，这些高压和高温实验也可能帮助科学家对海王星以下的系外行星有更多的了解，这些行星是我们太阳系之外的行星，其半径或质量比海王星小。”

海王星以下的行星是我们迄今所知的最常见的系外行星类型，研究这些行星的科学家假设，其中许多行星可能有一个厚厚的富水层，内部是岩石。这项新的研究表明，这些系外行星的深层海洋将与地球的海洋大不相同，可能是富含镁的。

Shim说：“如果早期的动态过程使这些系外行星发生了岩石-水反应，那么最顶层的水层可能富含镁，可能会影响行星的热历史。”

对于下一步，该团队希望继续在不同条件下进行高压/高温实验，以了解更多关于行星的组成。