冰巨星海王星和天王星上的深層水可能富含鎂元素

雖然科學家們已經積累了關於我們太陽系中的岩石行星，如地球和火星的大量知識，但對較遠距離的富含冰水的行星，海王星和天王星的瞭解卻少得多。在最近發表在《自然·天文學》上的一項新研究中，一個科學家小組在實驗室中重新創建了海王星和天王星內部的温度和壓力，並在此過程中對這些行星的深層水的化學成分有了更多的瞭解。

他們的發現也為我們太陽系外富含水分的系外行星上的海洋組成提供了線索。

傳統上認為海王星和天王星有不同的獨立層，由大氣層、冰或流體、岩石地幔和金屬核心組成。對於這項研究，研究小組對深層內部的水和岩石之間可能的反應特別感興趣。

首席作者、韓國延世大學的Taehyun Kim説：“通過這項研究，我們正在尋求擴大我們對冰巨星內部深處的瞭解，並確定在極端條件下可能存在的水-岩石相互作用。冰巨星和一些系外行星有非常深的水層，與陸地行星不同。我們提出了冰巨星內部兩種造星材料（水和岩石）的原子級混合的可能性。”

在實驗室中對橄欖石樣品使用了金剛石安瓿（右上）和激光，以達到天王星氫氣層下水層頂部預期的壓力-温度條件（左）。在這個實驗中，橄欖石中的鎂溶解在水中。資料來源：Shim/ASU

為了在實驗室中模擬海王星和天王星上的深水層的條件，研究小組首先將典型的成巖礦物，橄欖石和鐵橄欖石浸泡在水中，並將樣品在一個金剛石真空泵中壓縮到非常高的壓力。然後，為了監測礦物和水之間的反應，他們在用激光將樣品加熱到高温時進行X射線測量。

由此產生的化學反應導致了水中鎂的高濃度。基於這些發現，研究小組得出結論，富水行星上的海洋可能不具有與地球海洋相同的化學特性，高壓會使這些海洋富含鎂。

“我們發現，鎂在高壓下變得更容易溶於水。事實上，鎂在天王星和海王星水層中的溶解度可能與鹽在地球海洋中的溶解度一樣，“研究的共同作者、亞利桑那州立大學地球和空間探索學院的Sang-Heon Dan Shim説。

橄欖石樣品的電子顯微鏡圖像顯示了一個大的空穹頂結構，鎂在高壓水下沉澱為氧化鎂。

這些特徵也可能有助於解決天王星的大氣層比海王星的大氣層冷得多的謎團，儘管它們都是富含水的行星。如果天王星大氣層以下的水層中存在更多的鎂，它可能會阻止熱量從內部逃逸到大氣層中。

Shim説：“這種富含鎂的水可能像行星內部的熱毯。在我們的太陽系之外，這些高壓和高温實驗也可能幫助科學家對海王星以下的系外行星有更多的瞭解，這些行星是我們太陽系之外的行星，其半徑或質量比海王星小。”

海王星以下的行星是我們迄今所知的最常見的系外行星類型，研究這些行星的科學家假設，其中許多行星可能有一個厚厚的富水層，內部是岩石。這項新的研究表明，這些系外行星的深層海洋將與地球的海洋大不相同，可能是富含鎂的。

Shim説：“如果早期的動態過程使這些系外行星發生了岩石-水反應，那麼最頂層的水層可能富含鎂，可能會影響行星的熱歷史。”

對於下一步，該團隊希望繼續在不同條件下進行高壓/高温實驗，以瞭解更多關於行星的組成。