虽然科学家已经有很好的理由确信:被称为水世界的系外行星(整个行星表面被一个巨大的海洋完全覆盖)是普遍存在在星系里的。但是计算机模拟暗示着它们不仅仅是普遍认为的水世界,它们塞满了难以置信规模的水。试想下有上百甚至上千公里深的海洋。
图解:艺术家对水世界的描绘。 图片来源:NASA / JPL-Caltech
在国际科学学术会议上发表的研究也支持了这个日益被提及的情况,水世界是银河系里的一个普遍的特征。哈佛大学的天文学家Li Zeng和他的同事们使用电脑模拟技术获得的数据显示小于海王星尺寸的行星,即半径约为地球半径的2至4倍的行星很有可能为水世界,而不是以往传统上认为的被厚厚大气层包裹的气体矮星。
图解:这张海王星的照片是由旅行者2号窄角照相机上最后一张通过绿色和橙色滤镜拍摄的整个行星的图像生成的。这张照片拍摄于1989年8月离地球440万英里的地方,距接近时间还有4天20小时。这张照片显示了大黑点及其伴生的亮斑;在西翼,快速移动的亮斑称为“滑板车”,而小黑点则清晰可见。据观察,只要旅行者号的照相机能分辨出这些云层,它们就会一直存在。在这些区域的北部,可以看到类似于南极条纹的明亮云带。
必须说明的是水世界或者说海洋世界仍然是一个猜想。尽管我们已经有了两个被水完全覆盖的例子:木卫二(欧罗巴)和土卫二(恩克拉多斯),据推测,两颗卫星在冰壳覆盖的表面下都有全球性海洋。行星构成模型也预示着出水世界是真实存在的,而且非常普遍。例如,2017年的研究就有提及像地球一样宜居的星球可能实际上就是水世界。
图解:木卫二背向行进方向的半球。右下角的白色区域为普维斯撞击坑,深色区域是木卫二水冰表面矿物含量较高的区域。图像颜色近似真色,于1996年9月7日由伽利略号拍摄。
在该研究方向上, Li的团队在寻求进一步深化我们的行星生成模型。天文学家已经可以使用开普勒和其他天文台的观测结果去发现和确定成千上万的系外行星,这其中很多非常靠近他们的主星(有些距离甚至比水星离太阳更近)。这些数据里面有两种主要的类型的其大小在1倍至4倍地球大小的系外行星:紧密的岩石世界(也叫做超级地球)或者中等大小的低密度行星。科学家在研究中对后者感兴趣,因为科学家不确定这些系外行星的特性是一个岩石的核心包裹着厚厚的氢气大气层(例如 气体矮星)。或者充满巨量的水,或者冰或者液体,或者两者的结合(例如水世界)。
图解:超级地球柯洛7b(中)与地球(左)及海王星(右)大小比较图。
传统的解释是它们是气体矮星,因为水世界只能形成于远离行星系统雪线的地方(离主星足够远到的能够使挥发性物质变为固态的距离)。然而计算机模型表明,如果是气体矮星,这些尺寸在海王星以内的行星必须有非常适中的大气尺寸—当然没有达到气体矮星的规模。且仿真结果显示很多中等大小的行星的形成和演化最后会形成水世界。
以上的发现也支持了另外一个理论:行星迁移。因为水世界只能在恒星系统的外围形成。而又有如此之多的尺寸在海王星以内的行星非常靠近其主星,所以这项研究理论上支持了行星缓慢向其主星迁移的理论,这其中当然也包括了水世界。
像研究发现的这些小于海王星的水世界可能非常潮湿。它们至少有25%的组成为水和冰,有些甚至能占到其总质量的50%。因此,这些水世界不是像我们常规的认为的那样,只是没有陆地,或者陆地被水覆盖住了,它们的基本组成就是水外加少许的岩石金属。相比之下,地球则是主要由岩石构成了绝大部分,水只占了其约0.025%,大气中的水分也只占其总质量的百万分之一。
小于海王星的水世界不仅仅是淹在水中这么简单,Li 在一份给Gizmodo的邮件中提及,水世界有成千上万千米深的海洋,而不是像地球这样几千米深的,他这样形容:难以想象地,无底地,非常深。
至少这是电脑模拟所预示的的情况。在学术研究中,这些模型用来模拟行星的形成过程,其过程受到丰富的星云,富含水分的冰,含有铁和镍等各种各样物质的岩石的影响,也受到复杂的化学过程中的温度,冷却速率,蒸发,凝结,密度和距离主星距离等等很多因素影响。
Li 对仿真结果中的星系可能有的水量以及其对行星形成的显著影响印象深刻。
“从统计的角度看,这些水世界的含水量比像地球一样的岩石行星更加充沛”Li 告诉Gizmodo。Li说“可能每个与像太阳相似的恒星都可能有一颗或更多的水世界,我们的太阳系是一个水世界比较少的例子。”
他解释说:这些行星当中有些海洋有足够的深度产生相当于我们大气压一百万倍的压强。在这条件下,液态水被压缩成的高压冰。
这些高压冰就像地球深层地幔处的硅酸盐岩层一样又热又硬,这些是与我们地球完全不同的世界。
小于海王星的水世界不像我们地球一样有一个显然的地表层。由于其有25%至50%的组成都是水,这些星球基本上塞满了水,可能有或者可能没有一个可以定义的表面,水可以一直往下涌动到非常深的底层。
Sean Raymond是一波尔多大学的一个天文学家,虽然没有参加这项研究但是觉得这个理论很说得通。
Raymond在邮件中向Gizmodo解释说:这个理论是基于统计的,研究者们没有使用特例,指出几个行星是水世界,而是关注整体的情况。但这仍然是一个很酷很振奋人心的成果。
Raymond对研究支持行星迁移假说感到很振奋。
一个水世界在远离其主星的地方形成然后一直随着其公转轨道的缩小而靠近。行星的成分在一个较远的寒冷轨道上确定。公转轨道缩小的过程称为迁移,其驱动力为行星生成的原始尘埃和气体盘。
Raymond 发现一件有趣的事:冥王星和彗星67P也是由25%的水组成。他说:这正好契合了迁移假说,这些水世界可能在远离其主星的地方生成然后向里迁移。
Anders Sandberg是牛津大学人类未来研究员的高级研究员,其未加入这项研究也写了邮件给Gizmodo。其写到:这是一个酷的论文,其可以用接下来几年的的发现成果来论证:当收集的实际数据累积到一定的比率后就可以让我们判断这个理论是否正确。
实际上,这篇论文结果好的一方面告诉我们应该通过下一代太空望远镜(像詹姆斯韦伯太空望远镜和欧洲航天局的阿里尔太空望远镜)去寻找什么。Sandberg还说这项结果还包含了寻找外星生命的方式。
他说:虽然水世界里较重的元素会被压在成百上千千米深的的高压冰层的下面的这种环境对有机生命体不是十分的完美,但是它们也比气体矮星好。
至于一颗被水浸泡着的行星到底能不能孕育出高级到能够进行宇宙飞行的文明物种则是另外一个完整的课题,而鉴于星系里有这么多这样的行星的条件下这也是一个值得思考的问题。
参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3. George Dvorsky- gizmodo-雲
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自: https://gizmodo.com/water-worlds-could-have-mind-bogglingly-deep-oceans-ne-1834390409
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