地球古早版本—— 充满岩浆和超音速风的熔岩地狱

　　地球古早版本

　　—— 充满岩浆和超音速风的熔岩地狱

　　原作：Matthew Cimone

　　编译：张雨荷

　　校译：艾宇熙

　　审阅：牧夫天文校对组

　　编排：王璞

　　后台：库特莉亚芙卡 李子琦 徐⑨坤

　　原文链接：

　　https://www.universetoday.com/148804/there-are-planets-so-close-to-their-stars-that-they-have-magma-oceans-100km-deep-and-winds-that-go-8000-km-h/

　　距离我们200光年之外，存在着一颗被誉为“超级地球”的系外行星——K2-141b。因为它的运行轨道过于靠近恒星，它的公转周期只有7个小时。K2-141b的轨道距离恒星炽热的表面仅有一百万公里。相较而言，地球距离太阳1.5亿公里。即使是离太阳最近的水星，距离也绝不会小于4700万公里。

　　如果你站在K2-141b的表面仰望，你会看见一颗占据了五十度天空的橙色恒星，它比我们在地球上看到的太阳直径大一百倍。这是一个巨大，明亮而炽热的球体，它的光芒照耀着整个行星的三分之二，不像地球只是白昼的那一半被照亮。当然，你所站的也不会是什么表面，而是一片液态热岩浆的海洋。

　　近距离靠近恒星运行的系外行星概念图。

　　图源：欧南台

　　熔岩行星

　　我们已经在银河系中发现了一些“熔岩行星”或者说“岩浆世界”。这些行星离恒星如此之近，以至于它们的表面真的被熔化成了永恒的熔岩海洋。在恒星高强度的辐射下，部分表面被汽化并被超音速风吹到行星周围，形成了一个实际上是汽化岩石的大气层。而整个行星的“海洋”和“大气层”不过是岩石和矿物的气态、液态和固态的不同形式。没有水，没有空气，当然也没有生命，整个行星都只是一个“活”岩石。

　　而在所有这些被观测到的“熔岩行星”中，于2018年发现的K2-141b是很理想的研究对象。它不仅是已知的岩石系外行星中轨道最接近恒星且周期最短的一个，同时观测数据拥有很好的信噪比，能够为科学家提供最优质的观测结果。加拿大约克大学博士生Giang Nguyen与来自约克大学、加拿大麦吉尔大学和印度科学教育学院的研究团队一起，利用计算机模拟出了这颗行星可能存在的情形。

　　超音速大气

　　在阳光的照射下，K2-141b的表面温度能达到3000摄氏度，高温蒸发的矿物质形成了紧贴行星的薄层大气。根据地球岩壳中常见的矿物质和元素——钠、氧化硅和二氧化硅，研究小组模拟了三种可能的成分，分别是纯钠、纯氧化硅、纯二氧化硅组成的大气。三种模型得到的大气层厚度都比地球的薄。在这三种大气模型中，纯钠构成的大气最厚，压力为13.9千帕（地球海平面的大气压是103.325千帕）, 纯二氧化硅组成的大气最薄，只有240帕。而在所有的大气预测中，由于接近恒星而产生的风速都快得惊人，像是一个超音速的漩涡。钠大气层的风速为2.3公里/秒，时速超过8000公里。

　　这些风吹向行星的远方——永远处于黑暗之中的一侧。由于离母星如此之近，K2-141b被潮汐锁定——行星总是同一侧面对着它的恒星，而另一侧面对着外太空的黑暗。相比之下，行星的暗面是寒冷的-200摄氏度。当矿物质接近白天和黑夜的边界时，它们会冷却并通过“下雨”或“下雪”到达行星的岩浆海洋中，而在那里它们又流回到阳光直射的地方。这意味着行星的大气层主要被限制在了行星的亮面。

　　岩浆的海洋

　　类似于地球上的水循环，行星上的岩浆热岩也有像海水蒸发，降雨到陆地上，再流回海洋一样的循环系统。钠作为预测的大气层中最易挥发的物质，会被带到行星远端的暗面，这意味着它可能会经过被限定在行星亮面的岩浆海洋的岸边并最终落到固体岩石上。之后这些钠会在像冰川一样的固体板块表面上移动，最终回到岩浆海洋。

　　研究小组利用行星的重力、热量和密度能够预测出岩浆海洋的最大深度。由于K2-141b的质量是地球的5倍，重力是地球的两倍，这颗行星可以产生超过100公里深的岩浆海洋，而地球海洋的最深区域只有11公里。模型预测在某些情况下，矿物质回流到亮面的速度可能太慢，从而导致行星一侧的质量比另一侧多。行星的质量不平衡会导致其自转轴的角度发生改变。

　　未来的超视距观测

　　目前，望远镜还不具备看清系外行星大气层的分辨力，但下一代望远镜如詹姆斯-韦伯太空望远镜将具备这种能力。然而问题依然存在，K2-141b的大气层主要汇聚在行星不便于观测的一边。因为大部分的大气层在到达暗面之前就冷却“下雨”，有可能无法从我们的有利位置进行观测。当行星终于要在“一年”内转过身呈现亮面时，它却公转到了恒星的后面。研究小组在考虑了轨道视角和透光量后确定，望远镜应该最多能够在它刚出现或即将消失在恒星后时看到行星亮面的26度。进而望远镜可以观测到超音速大气层所在的区域，这不仅可以确认大气层的构成，还可以确认之前预测的风速。

　　地球的冥古宙时期概念图，这是地球最早形成时的地质年代。在这段时间里，地球也有岩浆海洋和强烈的火山活动

　　图源：Wikimedia Tim Bertelink CC BY-SA 4.0.

　　熔岩地球

　　眺望其他的“熔岩行星”不仅能够帮助我们了解更广阔的宇宙，也能让我们更好的认识赖以生存的地球。对于K2-141b的研究让我们了解到，地球在过去至少曾经存在过两次的熔融期。

　　第一个熔融期是在地球刚从太阳系中孕育出来之时，周围包裹着孕育地球的炙热物质。第二个熔融期是在地球被一个火星大小的天体大规模撞击之后。月球就是在这次撞击中产生，并且这次撞击真正的熔化了整个地球。所以无论是火星、金星还是K2-141b，这些都是对地球过去的一瞥，并让我们了解未来可能会在哪里找到一个与现在的地球相似的行星。

『天文时刻』 牧夫出品

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