【科學講堂】加壓模擬行星表面 揭「次海王星」水分之謎

水是地球上極為重要的物質，因此在探索外太空行星時，科學家也特別關注其水的成分。例如，研究發現許多系外行星的大氣層中含有不少水分；然而，這些行星通常十分靠近其主恒星，因此在主恒星的高溫環境下，水分應不易積聚。那麼，這些水分究竟從何而來？近日有研究指出，在行星的高壓狀態下，可能存在以往未受注意的水分形成途徑。以下將介紹該研究的主要發現。

目前對銀河系的觀測顯示，系外行星大多非常靠近其主星：二者距離常比太陽與水星之間的距離更短，因此理論上不利於水分積聚。這類行星的大小多介於地球與海王星之間，故常被稱為「次海王星」。

一般認為，次海王星中心由鐵合金構成，外層包裹矽酸鹽；最外部則是由氫和氦為主組成的大氣層。在大氣層與行星表面的交界處，氣壓極高，可超過地球大氣壓的一萬倍，溫度亦可達攝氏數千度。在此高溫高壓條件下，次海王星表面的矽酸鹽甚至可能熔化為液態熔岩，而底層的氫氣也會轉化為高密度液體。

高溫高壓下氫氣與矽酸鹽可生成水分

在這種極端環境下，氫氣與矽酸鹽是否可能通過化學反應生成水分？為探討此問題，研究人員將相關材料置於鑽石容器中，加壓模擬次海王星表面狀態。

然而，若持續加熱，容器中的氫氣會因高壓高溫滲入鑽石並導致容器破裂。為避免這一問題，研究人員改用短促的激光脈衝，將材料加熱至約攝氏二千至四千度。

實驗結果顯示，在此高溫高壓環境下，矽酸鹽熔岩中的二氧化矽會與氫氣反應，生成水分、甲矽烷以及其他含鐵、氫、矽的合金。研究人員推算，若所有矽酸鹽均與氫氣反應，可使一顆次海王星的質量中水分佔比達16%至29%。

不過，氫氣、矽酸鹽以及行星核心的鐵質密度各不相同，因此可能傾向於分層分布，這或許不利於化學反應持續進行。

進一步的模擬計算表明，當溫度超過攝氏三千三百度時，對流作用會發生，使氫氣溶解於矽酸鹽熔岩中，並被帶至行星內部生成水分；同時，生成的水分也會混入行星大氣。反之，若溫度過低，生成的水分與甲矽烷可能積聚在大氣層與矽酸鹽熔岩的交界處，反而阻礙水分的持續形成。

小結

本研究為行星科學家指出了系外行星中水分生成的新機制，有助於更全面地理解這些遙遠天體的組成與演化。然而，其他物質如何影響該機制，以及該機制在行星內部的具體過程，仍將是未來科研的重要方向。

●杜子航 教育工作者 早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。