天王星的“隔热毯”：富含镁元素的深水层

在实验室内，研究人员用金刚石砧和激光模拟了天王星氢气大气下的水层顶部压力-温度条件。

在电子显微镜下，研究人员观察到橄榄石样品中存在巨大的空穹结构。在高压水下，镁沉淀为氧化镁。

对于海王星和天王星等富含冰水的行星，人类一直了解甚少。phys.org网站当地时间5月18日报道，韩国延世大学和美国亚利桑那州立大学领导的团队在实验室中重现了海王星和天王星内部的温度和压力条件，更深入地了解了这两颗行星深水层的化学成分。该成果发表在《自然·天文学》中，为探索系外行星的海洋组成提供了新线索。

科学家们通常认为，海王星和天王星由大气、冰/流体、岩石地幔和金属核心构成。在新研究中，研究人员对水和岩石之间可能发生的内部反应展开了研究。延世大学研究人员Taehyun Kim说：“我们希望扩展人类对冰巨星深层内部的认知，并确定极端条件下可能存在的水-岩相互作用。与类地行星不同，冰巨星与部分系外行星都有很厚的水层。我们猜测，在冰巨星内部，构成海王星和天王星的水和岩石在原子尺度上有混合可能性。”

为了在实验室中模拟两颗行星的深水层条件，研究人员首先将典型矿物橄榄石和铁方镁石浸入水中，然后将样品压入金刚石砧内，使其承受超强高压。随后，为了监测矿物质和水之间的反应，研究人员用激光将样品加热至高温，并进行了X射线检测。他们发现，高温高压化学反应使水中的镁浓度变得非常高。因此，研究人员认为，含水行星上的海洋异于地球海洋，高压会使前者富含镁。亚利桑那州立大学研究人员Sang-Heon Dan Shim说：“镁在高压下更容易溶于水。事实上，镁在天王星和海王星水层中的可溶性，与盐分在地球海洋中的可溶性非常相似。”

研究人员表示，这些特征也有助于解释，为何天王星大气层比海王星大气层温度更低——如果天王星大气层下的水层含镁量更高，它就能阻止热量从内部散失到大气中。Shim说：“富含镁的水层就像行星的隔热毯。”

研究人员指出，这类室内高压、高温实验为科学家更好地了解亚海王星系外行星（太阳系外半径或质量小于海王星的行星）奠定了基础。亚海王星行星是人类目前所知的最常见系外行星。研究人员假设，其中许多行星可能有一层深厚的含水层，内部则是岩石。Shim说：“如果早期动态过程使这些系外行星发生了水-岩反应，那么最上层的水层可能富含镁元素，并且这可能会影响行星的热历史。”

下一阶段，Shim等人希望开展不同条件下的高压、高温实验，更多地了解行星组成。Kim说：“这项研究拉开了冰巨星探索计划的序幕。” 

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编译：德克斯特 审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《自然·天文学》

期刊编号：2397-3366

原文链接：https://phys.org/news/2021-05-deep-neptune-uranus-magnesium-rich.html

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