想象一颗大气层就像一个蒸汽桑拿房的行星。这基本上就是“蒸汽世界”的样子，但这些系外行星及其炽热的环境还有更多特别之处。
《天体物理学杂志》最近的一项研究探讨了这些系外行星奇特的性质，它们被归类为“亚海王星”，因为它们的尺寸和质量介于地球和海王星之间。
尽管蒸汽世界表面缺乏液态水，使得任何生命都无法生存，但了解它们的演化过程仍可能是搜寻外星生命的关键一步。
在蒸汽世界中进行筛选
在蒸汽世界的存在最初被预测了几十年后，詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 于 2024 年首次确认了其中一个。这颗距离地球约 100 光年的系外行星（GJ 9827 d），其大小是地球的两倍，大气层几乎完全由热蒸汽组成。研究人员相信，未来的 JWST 观测将发现更多类似的蒸汽系外行星。
像 GJ 9827 d 这样的蒸汽世界并不适合地球上那种生命生存。这是因为它们通常比地球离太阳更靠近它们的宿主恒星；它们的表面找不到液态水，但在行星的其他地方，水则以几种不同的形式存在。
在蒸汽大气层之下，是一个“超临界水”区域，这是一种令人费解的水相，它既不是气体也不是液体，但同时具备这两种状态的特性。《Nature Communications》的另一项研究也描述了超临界水。超临界水不仅存在于太阳系以外的行星上；它也存在于地球上，从深海的热液喷口喷涌而出。它也在实验室中被重现，甚至被用于核工程、生物能源和废物处理。
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蒸汽世界中的水相
除了蒸汽和超临界状态外，亚海王星上的水由于极端的压力和温度，可能会转化为“超离子冰”。在这种状态下，水分子重新排列，使氢离子在氧晶格中自由移动。结果是，超离子冰同时具有固态和液态的性质。
这些不寻常的水相状态启发研究人员创建了一个改进版的蒸汽世界模型，而在此之前，它们通常是利用研究太阳系冰卫星的模型来分析的。然而，亚海王星的质量是冰卫星的 10 到 100 倍，而且没有冰壳。
研究人员希望了解亚海王星上的水如何以纯蒸汽、超临界流体以及超离子冰等极端状态下表现。他们认为，了解这些系外行星是如何演化出这些形态的水的，将有助于找到其他水行星上生命的下一步。
“行星的内部是研究地球大学实验室难以重现的条件的天然‘实验室’。我们所学到的知识可能会有我们尚未考虑到的、意想不到的应用。从这个意义上说，水世界尤其奇特，”合著者 Natalie Batalha 在一份声明中表示，她是加州大学圣克鲁斯分校的天文学和天体物理学教授。
“未来，我们可能会发现，这些水世界中的一部分代表着银河系中新的生命生态位，”Batalha 继续说道。
全力以赴搜寻外星生命
研究人员结合了先前的大气层和内部模型信息，提出了一个新模型来绘制富含水亚海王星的演化过程。该模型表明，这类行星的半径比之前模型预测的要小，并且其内部深处的水比之前设想的要冷。
它还证实了行星内部的水可以从等离子体状态转变为超离子冰。
这些性质——不断变化的半径和行星的组成——对于研究亚海王星数十亿年的演化至关重要。即使蒸汽世界本身并不是外星生命的答案，对它们进行建模也可能帮助科学家们改进对富含水、类地系外行星存在的预测。
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文章来源
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- 《天体物理学杂志》。蒸汽世界的演化：能量方面
- 密歇根大学新闻。JWST 发现首个被水蒸气笼罩的奇异“蒸汽世界”
- 《自然-通讯》。Widom 线交叉处超临界水伪沸腾的可视化
